基于Saber的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真

　　如圖4為一個三相逆變器的半橋電路原理圖。

　　對于低端的管子Q4，由于其源極(s)接地，所以當(dāng)控制Q4導(dǎo)通時，只要在Q4的柵極加大于閾值的電壓信號Ud即可;但對于高端的管子Q1，由于其源極電位U是浮動的，僅靠單獨(dú)在Q1的柵極上施加電壓信號Up控制Q1導(dǎo)通比較困難。

　　基于以上分析，功率開關(guān)管一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。對于隔離驅(qū)動模式，6個功率開關(guān)器件都采用獨(dú)立的驅(qū)動電路驅(qū)動，都需要一組輔助電源，各個電路之間還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性，可靠性下降。而自舉型功率橋驅(qū)動集成電路具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，懸浮電壓采用內(nèi)置自舉電路完成，僅需要一個直流電源，就可輸出半橋功率開關(guān)管的驅(qū)動脈沖。

　　本文三相逆變橋的功率驅(qū)動集成電路采用IR美國國際整流器公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2110，功率開關(guān)管選用MOSFKTIRFP260N。IR2110驅(qū)動一個半橋的電路如圖5所示。其中，C1、VD分別為自舉電容和二極管，Rg為柵極串聯(lián)電阻。

　　自舉電容C1用來給高端IRFP260N提供懸浮電源。一個半橋的高端管在導(dǎo)通前需要先對自舉電容C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過閾值電壓，高端管開始導(dǎo)通。自舉電容必須能夠提供功率管導(dǎo)通時所需要的柵極電荷，并且在控制高端管導(dǎo)通期間，自舉電容兩端電壓要基本保持不變。自舉電容過小，導(dǎo)致自舉電容可能有較大的紋波。自舉電容取值一般為0.1～1μF，這里選擇自舉電容值為1 μF。

　　當(dāng)高端IRFP260N管開啟時，自舉二極管D1必須承受著和IRFP260N漏極相同的電壓，所以二極管的反向承受電壓要大于母線電壓，并且應(yīng)該是快恢復(fù)二極管，以減少自舉電容向電源的回饋電荷。

　　建立逆變器電路的仿真分析模型并進(jìn)行仿真分析，高端管Q1、低端管Q4的控制信號G1_C、G4_C，Q1管的柵極驅(qū)動信號Q1_G，柵源電壓Q1_GS，Q1、Q2的中點(diǎn)電位U，Q4管的柵極驅(qū)動電壓Q4_G仿真分析結(jié)果如圖6所示。

　　在圖6中，在時刻“1”，低端Q4功率管的控制信號Q4_C有效，經(jīng)過驅(qū)動集成電路IR2110后，Q2的柵極驅(qū)動信號Q2_G為11.988 V，其柵源電壓大于IRFP260的導(dǎo)通閾值，Q2導(dǎo)通，此時Q1管關(guān)斷;在時刻“2”，低端Q1功率管的控制信號Q1_C有效，經(jīng)過IR2110后，Q1的源極電位U為90V，Q1的柵極電位Q1_C被自舉電容升高到101.95V，此時Q1的柵源電壓Q1_GS為11.95V，大于功率管的導(dǎo)通閾值，Q1導(dǎo)通，此時Q2關(guān)閉?？梢钥吹剑嗄孀兤麟娐返脑O(shè)計(jì)可以可靠控制功率管的開通和關(guān)斷。

　　2 系統(tǒng)功能仿真

　　設(shè)置無刷直流電機(jī)參數(shù)如下，2對極，單相繞組電阻為1.65 Ω，繞組電感為1 mH，反電動勢系數(shù)ke=0.048，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為j=4.189 x10-6 kg*m2。設(shè)置PWM占空比為0.6，頻率為10 kHz，對整個電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。三相繞組的電壓U、V、W，電機(jī)轉(zhuǎn)速Wrm，電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角Theta的仿真分析結(jié)果如圖7所示。

　　由上圖可以看到，由于PWM占空比為0.6，無論正向轉(zhuǎn)動還是負(fù)向轉(zhuǎn)動，電機(jī)均處于加速狀態(tài)：當(dāng)DIR為“0”時，電機(jī)向負(fù)方向轉(zhuǎn)動;當(dāng)DIR為“1”時，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動。從結(jié)果可以看到，無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作正常。

　　3 結(jié)論

　　本文利用仿真軟件Saber完成了無刷直流控制系統(tǒng)的建模與分析，系統(tǒng)仿真試驗(yàn)證明，控制系統(tǒng)工作正常，仿真精度高，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。Matlab/Simulink仿真軟件主要適合電機(jī)控制系統(tǒng)研究，Pspice仿真丁具主要適合電力電子電路的分析，Saber軟件包含豐富的電力電子元器件、電機(jī)模型庫，運(yùn)算精度高，同時具備以上兩種分析工具的優(yōu)點(diǎn)。因此，基于Saber的電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真分析，可以在掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性的同時，實(shí)現(xiàn)對電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和精細(xì)分析，對控制策略、算法進(jìn)行驗(yàn)證，從而更加有效地進(jìn)行系統(tǒng)和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了非常有效的設(shè)計(jì)手段。