基于Saber的无刷直流电机控制系统仿真与分析

摘要：利用Saber仿真软件完成无刷直流电机控制系统的研究分析。分别对控制系统中的位置传感器、电子换向器、三相逆变电路进行研究与分析，并完成仿真模型的搭建、功能验证和性能分析，最后对各功能模块进行有机整合。完成控制系统的整体仿真试验，仿真结果证明，系统设计合理，其仿真结果与理论分析相吻合。

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来。1955年，美国的D.Harrison等人首次申请用晶体管换向电路代替有刷电机机械电刷的专利，标志这现代无刷直流电机的诞生。

相对于有刷电机，无刷直流电机采用电子换向代替了机械换向，转速高，输出功率大，寿命长，散热好，无换向火花，噪声低，可在高空稀薄条件下工作，广泛应用在要求大功率重量比、响应速度快、可靠性高的随动系统中。

随着DSP数字控制芯片功能和速度的提高，以数字信号处理器为核心的控制电路和嵌入式控制软件将代表无刷直流电机控制的发展方向。无刷直流电机必须和电子换向器、位置反馈器配套使用，控制更加灵活，当同时导致控制硬件、算法复杂度增加。

在无刷直流电机控制系统设计过程中利用数学仿真分析手段，可以更好的掌握系统的动态特性，验证电路设计是否正确，元器件、控制参数选择匹配是否合理，从而更加有效地进行系统设计。

本文利用Synopsys公司的电力电子仿真软件Saber建立了无刷直流电机的控制系统的仿真分析模型，对该控制系统中的位置传感器、电子换向器、三相逆变电路进行研究与分析，完成仿真模型的搭建、功能验证和性能分析，最后利用整体模型进行系统的仿真试验。

1 电机控制系统总体

无刷直流控制系统的组成框图如图1所示。

在无刷直流电机控制系统中，控制器根据控制策略产生电机速度调节、转向控制信号，采用位置检测器产生代表电机转子的位置信号，电子换向器对转子位置信号、电机调速和方向控制信号进行逻辑综合，产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关管，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电机定子的U、V、W三相绕组，使电机产生持续转矩。下面将详细介绍无刷电机控制系统各部分的设计和建模仿真。

1. 1 电机位置传感器的建模

位置检测器在直流无刷电动机中检测转子磁极位置，为逻辑开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转化为电信号，控制定子绕组换向。

本文采用霍尔传感器进行电机转子磁极位置的测试。3个霍尔传感器定子在空间位置上呈120°均匀分布，霍尔转子为电机的永磁转于磁极。随着转子的旋转，永磁转子的N-S极交替变换，3个霍尔位置传感器感应转子磁场的变化输出霍尔信号HA、HB、HC，这3个信号不同的编码组合代表电机转子的不同位置。

根据霍尔传感器的物理安装位置，3相霍尔信号HA、HB、HC与转子磁极电气角度θ的关系式如下：

其中，-180°≤θ≤180°

建立电机霍尔传感器的仿真分析模型，然后进行仿真分析。当电机的极对数为2时，对应不同的电机转子转角Angle，输出霍尔信号HA、HB、HC的仿真结果如图2所示。

在图中可以看到，一个电气周期内，3相霍尔位置传感器有6种组合的编码状态，分别为：101、100、110、010、011、001;当电机正转时，HA、HB、HC编码组合依次为：011->001->101->100->110->010->011，电机反转时HA、HB、HC编码组合依次为：010->110->100->101->001->011->010。

1. 2 电子换向器建模

电子换向器的主要功能根据电机位置传感器产生的霍尔位置信号HA、HB、HC、电机转向控制信号DIR和电机转速调节信号PWM产生控制6个功率管开通与关断的控制信号S1、S2、S3、S4、S5、S6。当控制电机DIR信号为“0”时，电机负向转动;当DIR信号为“1”时，电机正向转动;PWM信号占空比在0～1.0之间变化，通过控制PWM信号的占空比大小实现电机速度的调节，占空比越大，电机转速越高。

电子换向器的输出控制逻辑关系如下，PWM信号对半桥的高端管进行调制实现电机调速的目的。

在换向逻辑实现上，为了提高系统的可靠性，采用与门、异或、非门集成逻辑门电路实现电机的逻辑换向。

设置PWM占空比为0.6时，电子换向器的仿真分析结果如图3所示，其中S1、S4为一个半桥的高端管、低端管的控制信号。

在上图的仿真结果可以看到，同一半桥上的两个管不能同时导通;PWM调制信号实现了对半桥的高端管的控制。

1.3 三相逆变器电路的建模

逆变电路的作用是接收电子换向器的控制信号，并将之转化为逆变电路6个功率管的栅极驱动控制信号，通过控制功率管的开通和关断，将电机电源转换为可以驱动无刷电机运行的三相交流电U、V和W。

在电机功率驱动电路中，三相逆变桥电路有6个功率管。对于Mosfet功率开关管，其导通的条件时栅-源之间的电压Ugs大于某个阈值，这个阈值对于不同的功率管是不同的。

如图4为一个三相逆变器的半桥电路原理图。

对于低端的管子Q4，由于其源极(s)接地，所以当控制Q4导通时，只要在Q4的栅极加大于阈值的电压信号Ud即可;但对于高端的管子Q1，由于其源极电位U是浮动的，仅靠单独在Q1的栅极上施加电压信号Up控制Q1导通比较困难。

基于以上分析，功率开关管一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。对于隔离驱动模式，6个功率开关器件都采用独立的驱动电路驱动，都需要一组辅助电源，各个电路之间还要互相悬浮，增加了电路的复杂性，可靠性下降。而自举型功率桥驱动集成电路具有独立的低端和高端输入通道，悬浮电压采用内置自举电路完成，仅需要一个直流电源，就可输出半桥功率开关管的驱动脉冲。

本文三相逆变桥的功率驱动集成电路采用IR美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片IR2110，功率开关管选用MOSFKTIRFP260N。IR2110驱动一个半桥的电路如图5所示。其中，C1、VD分別为自举电容和二极管，Rg为栅极串联电阻。

自举电容C1用来给高端IRFP260N提供悬浮电源。一个半桥的高端管在导通前需要先对自举电容C1充电，当C1两端电压超过阈值电压，高端管开始导通。自举电容必须能够提供功率管导通时所需要的栅极电荷，并且在控制高端管导通期间，自举电容两端电压要基本保持不变。自举电容过小，导致自举电容可能有较大的纹波。自举电容取值一般为0.1～1μF，这里选择自举电容值为1 μF。

当高端IRFP260N管开启时，自举二极管D1必须承受着和IRFP260N漏极相同的电压，所以二极管的反向承受电压要大于母线电压，并且应该是快恢复二极管，以减少自举电容向电源的回馈电荷。

建立逆变器电路的仿真分析模型并进行仿真分析，高端管Q1、低端管Q4的控制信号G1_C、G4_C，Q1管的栅极驱动信号Q1_G，栅源电压Q1_GS，Q1、Q2的中点电位U，Q4管的栅极驱动电压Q4_G仿真分析结果如图6所示。

在图6中，在时刻“1”，低端Q4功率管的控制信号Q4_C有效，经过驱动集成电路IR2110后，Q2的栅极驱动信号Q2_G为11.988 V，其栅源电压大于IRFP260的导通阈值，Q2导通，此时Q1管关断;在时刻“2”，低端Q1功率管的控制信号Q1_C有效，经过IR2110后，Q1的源极电位U为90V，Q1的栅极电位Q1_C被自举电容升高到101.95V，此时Q1的栅源电压Q1_GS为11.95V，大于功率管的导通阈值，Q1导通，此时Q2关闭。可以看到，三相逆变器电路的设计可以可靠控制功率管的开通和关断。

2 系统功能仿真

设置无刷直流电机参数如下，2对极，单相绕组电阻为1.65 Ω，绕组电感为1 mH，反电动势系数ke=0.048，转子转动惯量为j=4.189 x10-6 kg*m2。设置PWM占空比为0.6，频率为10 kHz，对整个电机控制系统进行仿真。三相绕组的电压U、V、W，电机转速Wrm，电机转子机械转角Theta的仿真分析结果如图7所示。

由上图可以看到，由于PWM占空比为0.6，无论正向转动还是负向转动，电机均处于加速状态：当DIR为“0”时，电机向负方向转动;当DIR为“1”时，电机正向转动。从结果可以看到，无刷直流电机控制系统工作正常。

3 结论

本文利用仿真软件Saber完成了无刷直流控制系统的建模与分析，系统仿真试验证明，控制系统工作正常，仿真精度高，其仿真结果与理论分析相吻合。Matlab/Simulink仿真软件主要适合电机控制系统研究，Pspice仿真丁具主要适合电力电子电路的分析，Saber软件包含丰富的电力电子元器件、电机模型库，运算精度高，同时具备以上两种分析工具的优点。因此，基于Saber的电机控制系统的仿真分析，可以在掌握系统的动态特性的同时，实现对电路设计的详细设计和精细分析，对控制策略、算法进行验证，从而更加有效地进行系统和分系统设计为电机控制系统的应用提供了非常有效的设计手段。