摘要：利用Saber仿真軟件完成無刷直流電機(jī)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(jìn)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(jìn)行有機(jī)整合。完成控制系統(tǒng)的整體仿真試驗，仿真結(jié)果證明，系統(tǒng)設(shè)計合理，其仿真結(jié)果與理論分析相吻合。

　　無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)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(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志這現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的誕生。

　　相對于有刷電機(jī)，無刷直流電機(jī)采用電子換向代替了機(jī)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(yīng)用在要求大功率重量比、響應(yīng)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(jī)控制的發(fā)展方向。無刷直流電機(jī)必須和電子換向器、位置反饋器配套使用，控制更加靈活，當(dāng)同時導(dǎo)致控制硬件、算法復(fù)雜度增加。

　　在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中利用數(shù)學(xué)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(shè)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)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(jī)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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)的仿真試驗。

　　1 電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)控制策略產(chǎn)生電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號，電子換向器對轉(zhuǎn)子位置信號、電機(jī)調(diào)速和方向控制信號進(jìn)行邏輯綜合，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)管，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電機(jī)定子的U、V、W三相繞組，使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)轉(zhuǎn)矩。下面將詳細(xì)介紹無刷電機(jī)控制系統(tǒng)各部分的設(shè)計和建模仿真。

　　1. 1 電機(jī)位置傳感器的建模

　　位置檢測器在直流無刷電動機(jī)中檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，為邏輯開關(guān)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(jìn)行電機(jī)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(jī)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(yīng)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(jī)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(guān)系式如下：

　　其中，-180°≤θ≤180°

　　建立電機(jī)霍爾傳感器的仿真分析模型，然后進(jìn)行仿真分析。當(dāng)電機(jī)的極對數(shù)為2時，對應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角Angle，輸出霍爾信號HA、HB、HC的仿真結(jié)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(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，HA、HB、HC編碼組合依次為：011->001->101->100->110->010->011，電機(jī)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(jī)位置傳感器產(chǎn)生的霍爾位置信號HA、HB、HC、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號DIR和電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號PWM產(chǎn)生控制6個功率管開通與關(guān)斷的控制信號S1、S2、S3、S4、S5、S6。當(dāng)控制電機(jī)DIR信號為“0”時，電機(jī)負(fù)向轉(zhuǎn)動;當(dāng)DIR信號為“1”時，電機(jī)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(jī)速度的調(diào)節(jié)，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。

　　電子換向器的輸出控制邏輯關(guān)系如下，PWM信號對半橋的高端管進(jìn)行調(diào)制實現(xiàn)電機(jī)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(jī)的邏輯換向。

　　設(shè)置PWM占空比為0.6時，電子換向器的仿真分析結(jié)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(jié)果可以看到，同一半橋上的兩個管不能同時導(dǎo)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(guān)斷，將電機(jī)電源轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動無刷電機(jī)運(yùn)行的三相交流電U、V和W。

　　在電機(jī)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(guān)管，其導(dǎo)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。