基于Saber的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真

　　摘要：利用Saber仿真軟件完成無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究分析。分別對控制系統(tǒng)中的位置傳感器、電子換向器、三相逆變電路進行研究與分析，并完成仿真模型的搭建、功能驗證和性能分析，最后對各功能模塊進行有機整合。完成控制系統(tǒng)的整體仿真試驗，仿真結果證明，系統(tǒng)設計合理，其仿真結果與理論分析相吻合。

　　無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎上發(fā)展起來。1955年，美國的D.Harrison等人首次申請用晶體管換向電路代替有刷電機機械電刷的專利，標志這現(xiàn)代無刷直流電機的誕生。

　　相對于有刷電機，無刷直流電機采用電子換向代替了機械換向，轉(zhuǎn)速高，輸出功率大，壽命長，散熱好，無換向火花，噪聲低，可在高空稀薄條件下工作，廣泛應用在要求大功率重量比、響應速度快、可靠性高的隨動系統(tǒng)中。

　　隨著DSP數(shù)字控制芯片功能和速度的提高，以數(shù)字信號處理器為核心的控制電路和嵌入式控制軟件將代表無刷直流電機控制的發(fā)展方向。無刷直流電機必須和電子換向器、位置反饋器配套使用，控制更加靈活，當同時導致控制硬件、算法復雜度增加。

　　在無刷直流電機控制系統(tǒng)設計過程中利用數(shù)學仿真分析手段，可以更好的掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性，驗證電路設計是否正確，元器件、控制參數(shù)選擇匹配是否合理，從而更加有效地進行系統(tǒng)設計。

　　本文利用Synopsys公司的電力電子仿真軟件Saber建立了無刷直流電機的控制系統(tǒng)的仿真分析模型，對該控制系統(tǒng)中的位置傳感器、電子換向器、三相逆變電路進行研究與分析，完成仿真模型的搭建、功能驗證和性能分析，最后利用整體模型進行系統(tǒng)的仿真試驗。

　　1 電機控制系統(tǒng)總體

　　無刷直流控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

　　在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)控制策略產(chǎn)生電機速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)向控制信號，采用位置檢測器產(chǎn)生代表電機轉(zhuǎn)子的位置信號，電子換向器對轉(zhuǎn)子位置信號、電機調(diào)速和方向控制信號進行邏輯綜合，產(chǎn)生相應的開關信號，開關信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關管，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電機定子的U、V、W三相繞組，使電機產(chǎn)生持續(xù)轉(zhuǎn)矩。下面將詳細介紹無刷電機控制系統(tǒng)各部分的設計和建模仿真。

　　1. 1 電機位置傳感器的建模

　　位置檢測器在直流無刷電動機中檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，為邏輯開關電路提供正確的換向信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)化為電信號，控制定子繞組換向。

　　本文采用霍爾傳感器進行電機轉(zhuǎn)子磁極位置的測試。3個霍爾傳感器定子在空間位置上呈120°均勻分布，霍爾轉(zhuǎn)子為電機的永磁轉(zhuǎn)于磁極。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，永磁轉(zhuǎn)子的N-S極交替變換，3個霍爾位置傳感器感應轉(zhuǎn)子磁場的變化輸出霍爾信號HA、HB、HC，這3個信號不同的編碼組合代表電機轉(zhuǎn)子的不同位置。

　　根據(jù)霍爾傳感器的物理安裝位置，3相霍爾信號HA、HB、HC與轉(zhuǎn)子磁極電氣角度θ的關系式如下：

　　其中，-180°≤θ≤180°

　　建立電機霍爾傳感器的仿真分析模型，然后進行仿真分析。當電機的極對數(shù)為2時，對應不同的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角Angle，輸出霍爾信號HA、HB、HC的仿真結果如圖2所示。

　　在圖中可以看到，一個電氣周期內(nèi)，3相霍爾位置傳感器有6種組合的編碼狀態(tài)，分別為：101、100、110、010、011、001;當電機正轉(zhuǎn)時，HA、HB、HC編碼組合依次為：011->001->101->100->110->010->011，電機反轉(zhuǎn)時HA、HB、HC編碼組合依次為：010->110->100->101->001->011->010。

　　1. 2 電子換向器建模

　　電子換向器的主要功能根據(jù)電機位置傳感器產(chǎn)生的霍爾位置信號HA、HB、HC、電機轉(zhuǎn)向控制信號DIR和電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號PWM產(chǎn)生控制6個功率管開通與關斷的控制信號S1、S2、S3、S4、S5、S6。當控制電機DIR信號為“0”時，電機負向轉(zhuǎn)動;當DIR信號為“1”時，電機正向轉(zhuǎn)動;PWM信號占空比在0～1.0之間變化，通過控制PWM信號的占空比大小實現(xiàn)電機速度的調(diào)節(jié)，占空比越大，電機轉(zhuǎn)速越高。

　　電子換向器的輸出控制邏輯關系如下，PWM信號對半橋的高端管進行調(diào)制實現(xiàn)電機調(diào)速的目的。

　　在換向邏輯實現(xiàn)上，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用與門、異或、非門集成邏輯門電路實現(xiàn)電機的邏輯換向。

　　設置PWM占空比為0.6時，電子換向器的仿真分析結果如圖3所示，其中S1、S4為一個半橋的高端管、低端管的控制信號。

　　在上圖的仿真結果可以看到，同一半橋上的兩個管不能同時導通;PWM調(diào)制信號實現(xiàn)了對半橋的高端管的控制。

　　1.3 三相逆變器電路的建模

　　逆變電路的作用是接收電子換向器的控制信號，并將之轉(zhuǎn)化為逆變電路6個功率管的柵極驅(qū)動控制信號，通過控制功率管的開通和關斷，將電機電源轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動無刷電機運行的三相交流電U、V和W。

　　在電機功率驅(qū)動電路中，三相逆變橋電路有6個功率管。對于Mosfet功率開關管，其導通的條件時柵-源之間的電壓Ugs大于某個閾值，這個閾值對于不同的功率管是不同的。