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　　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。