摘要：运用Saber仿真软件完结无刷直流电机操控体系的研讨剖析。分别对操控体系中的方位传感器、电子换向器、三相逆变电路进行研讨与剖析，并完结仿真模型的树立、功用验证和功用剖析，最终对各功用模块进行有机整合。完结操控体系的全体仿真实验，仿真成果证明，体系规划合理，其仿真成果与理论剖析相吻合。
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等人初次申请用晶体管换向电路替代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。
相关于有刷电机，无刷直流电机选用电子换向替代了机械换向，转速高，输出功率大，寿命长，散热好，无换向火花，噪声低，可在高空淡薄条件下作业，广泛使用在要求大功率分量比、呼应速度快、牢靠性高的随动体系中。
跟着DSP数字操控芯片功用和速度的进步，以数字信号处理器为中心的操控电路和嵌入式操控软件将代表无刷直流电机操控的发展方向。无刷直流电机有必要和电子换向器、方位反应器配套运用，操控愈加灵敏，当一起导致操控硬件、算法复杂度添加。
在无刷直流电机操控体系规划过程中运用数学仿真剖析手法，能够更好的把握体系的动态特性，验证电路规划是否正确，元器材、操控参数挑选匹配是否合理，然后愈加有用地进行体系规划。
本文运用Synopsys公司的电力电子仿真软件Saber树立了无刷直流电机的操控体系的仿真剖析模型，对该操控体系中的方位传感器、电子换向器、三相逆变电路进行研讨与剖析，完结仿真模型的树立、功用验证和功用剖析，最终运用全体模型进行体系的仿真实验。
1 电机操控体系整体
无刷直流操控体系的组成框图如图1所示。
在无刷直流电机操控体系中，操控器依据操控战略发生电机速度调理、转向操控信号，选用方位检测器发生代表电机转子的方位信号，电子换向器对转子方位信号、电机调速和方向操控信号进行逻辑归纳，发生相应的开关信号，开关信号以必定的次序触发逆变器中的功率开关管，将电源功率以必定的逻辑关系分配给电机定子的U、V、W三相绕组，使电机发生继续转矩。下面将具体介绍无刷电机操控体系各部分的规划和建模仿真。
1. 1 电机方位传感器的建模
方位检测器在直流无刷电动机中检测转子磁极方位，为逻辑开关电路供给正确的换向信息，行将转子磁钢磁极的方位信号转化为电信号，操控定子绕组换向。
本文选用霍尔传感器进行电机转子磁极方位的测验。3个霍尔传感器定子在空间方位上呈120°均匀分布，霍尔转子为电机的永磁转于磁极。跟着转子的旋转，永磁转子的N-S极替换改换，3个霍尔方位传感器感应转子磁场的改变输出霍尔信号HA、HB、HC，这3个信号不同的编码组合代表电机转子的不同方位。
依据霍尔传感器的物理装置方位，3相霍尔信号HA、HB、HC与转子磁极电气视点θ的关系式如下：
其间，-180°≤θ≤180°
树立电机霍尔传感器的仿真剖析模型，然后进行仿真剖析。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的仿真成果如图2所示。
在图中能够看到，一个电气周期内，3相霍尔方位传感器有6种组合的编码状况，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，电机回转时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
电子换向器的首要功用依据电机方位传感器发生的霍尔方位信号HA、HB、HC、电机转向操控信号DIR和电机转速调理信号PWM发生操控6个功率管注册与关断的操控信号S1、S2、S3、S4、S5、S6。当操控电机DIR信号为“0”时，电机负向滚动;当DIR信号为“1”时，电机正向滚动;PWM信号占空比在0～1.0之间改变，通过操控PWM信号的占空比巨细完结电机速度的调理，占空比越大，电机转速越高。
电子换向器的输出操控逻辑关系如下，PWM信号对半桥的高端管进行调制完结电机调速的意图。
在换向逻辑完结上，为了进步体系的牢靠性，选用与门、异或、非门集成逻辑门电路完结电机的逻辑换向。
设置PWM占空比为0.6时，电子换向器的仿真剖析成果如图3所示，其间S1、S4为一个半桥的高端管、低端管的操控信号。
在上图的仿真成果能够看到，同一半桥上的两个管不能一起导通;PWM调制信号完结了对半桥的高端管的操控。
1.3 三相逆变器电路的建模
逆变电路的作用是接纳电子换向器的操控信号，并将之转化为逆变电路6个功率管的栅极驱动操控信号，通过操控功率管的注册和关断，将电机电源转换为能够驱动无刷电机运转的三相交流电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。关于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，这个阈值关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。
关于低端的管子Q4，因为其源极(s)接地，所以当操控Q4导通时，只要在Q4的栅极加大于阈值的电压信号Ud即可;但关于高端的管子Q1，因为其源极电位U是起浮的，仅靠单独在Q1的栅极上施加电压信号Up操控Q1导通比较困难。
依据以上剖析，功率开关管一般选用直接驱动和阻隔驱动两种方法。关于阻隔驱动形式，6个功率开关器材都选用独立的驱动电路驱动，都需求一组辅佐电源，各个电路之间还要相互悬浮，添加了电路的复杂性，牢靠性下降。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，悬浮电压选用内置自举电路完结，仅需求一个直流电源，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选用IR美国世界整流器公司出产的专用驱动芯片IR2110，功率开关管选用MOSFKTIRFP260N。IR2110驱动一个半桥的电路如图5所示。其间，C1、VD分e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供给悬浮电源。一个半桥的高端管在导通前需求先对自举电容C1充电，当C1两头电压超越阈值电压，高端管开端导通。自举电容有必要能够供给功率管导通时所需求的栅极电荷，而且在操控高端管导通期间，自举电容两头电压要根本坚持不变。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，这儿挑选自举电容值为1 μF。
当高端IRFP260N管敞开时，自举二极管D1有必要接受着和IRFP260N漏极相同的电压，所以二极管的反向接受电压要大于母线电压，而且应该是快康复二极管，以削减自举电容向电源的回馈电荷。
树立逆变器电路的仿真剖析模型并进行仿真剖析，高端管Q1、低端管Q4的操控信号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仿真剖析成果如图6所示。
在图6中，在时间“1”，低端Q4功率管的操控信号Q4_C有用，通过驱动%&&&&&%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，此刻Q1管关断;在时间“2”，低端Q1功率管的操控信号Q1_C有用，通过IR2110后，Q1的源极电位U为90V，Q1的栅极电位Q1_C被自举%&&&&&%升高到101.95V，此刻Q1的栅源电压Q1_GS为11.95V，大于功率管的导通阈值，Q1导通，此刻Q2封闭。能够看到，三相逆变器电路的规划能够牢靠操控功率管的注册和关断。
2 体系功用仿真
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，转子滚动惯量为j=4.189 x10-6 kg*m2。设置PWM占空比为0.6，频率为10 kHz，对整个电机操控体系进行仿真。三相绕组的电压U、V、W，电机转速Wrm，电机转子机械转角Theta的仿真剖析成果如图7所示。
由上图能够看到，因为PWM占空比为0.6，不管正向滚动仍是负向滚动，电机均处于加快状况：当DIR为“0”时，电机向负方向滚动;当DIR为“1”时，电机正向滚动。从成果能够看到，无刷直流电机操控体系作业正常。
3 定论
本文运用仿真软件Saber完结了无刷直流操控体系的建模与剖析，体系仿真实验证明，操控体系作业正常，仿真精度高，其仿真成果与理论剖析相吻合。Matlab/Simulink仿真软件首要合适电机操控体系研讨，Pspice仿真丁具首要合适电力电子电路的剖析，Saber软件包括丰厚的电力电子元器材、电机模型库，运算精度高，一起具有以上两种剖析东西的长处。因而，依据Saber的电机操控体系的仿真剖析，能够在把握体系的动态特性的一起，完结对电路规划的具体规划和精密剖析，对操控战略、算法进行验证，然后愈加有用地进行体系和分体系规划为电机操控体系的使用供给了十分有用的规划手法。
