電動汽車驅動控制系統中關鍵模塊的仿真

摘要：在MATLAB下建立了永磁無刷直流電動機的仿真模型，并對其中的關鍵模塊進行了研究和仿真，仿真結果表明MATLAB為分析和設計BLDCM控制系統提供了有效的手段和工具。

關鍵詞：無刷直流電動機；MATLAB；閉環

中圖分類號：U469文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)20-30379-04

Simulation on Key Module of Electronic Vehicle Drive System

YANG Da-zhu

(Automobile Management of PLA，Bengbu 233011，China)

Abstract:The simulation modle of BLDCM is established under MATLAB environment. research and simulation of key modules arealso pursued.Simulation results indicate MATLAB presents aeffective method and tool for analysing and designing ofBLDCM’s drive system.

Key words:BLDCM;MATLAB;Closed-circle

1 引言

在Matlab7.1的Simulink環境下，利用SimPowerSystemToolbox豐富的模塊庫，在分析BLDCM數學模型的基礎上，可以建立BLDCM控制系統仿真模型，具體結構框圖如圖1所示。

BLDCM建模仿真系統采用速度閉環控制方案，轉速環由PI調節器構成，根據模塊化建模的思想，將控制系統分割為各個功能獨立的子模塊。其中主要包括：BLDCM本體模塊、逆變器模塊、速度調節模塊、解碼器模塊、門極驅動模塊、PWM波形控制模塊等。通過這些功能模塊的有機整合，就可在Matlab/Simulink中搭建出BLDCM控制系統的仿真模型，并實現閉環的控制算法，以下對各關鍵功能模塊的作用進行分析和仿真。

2 解碼器模塊

在永磁無刷直流電機中，利用轉子位置傳感器對電機位置進行檢測，對輸出信號進行邏輯變換后去控制開關管的通斷，使電機定子各繞組按順序導通，保證電機連續工作。無刷直流電機的運轉是通過霍爾元件來判定轉子位置，然后通過逆變器給BLDCM供電。在整個控制系統的仿真模型中，處理好霍爾元件的信號對系統的正常運行至關重要，必須保證霍爾電勢元件能及時正確地對轉子位置進行判斷并把測得的信號傳輸給信號處理單元產生所需的PWM波形。所以，解碼器模塊的作用就是處理從霍爾（HALL）元件中產生的脈沖信號ha、hb、hc，分別由高電平“1”和低電平“0” 兩種電平信號表示出來，這三個信號波形如圖2所示。分別用三個（紅、藍、綠）不同顏色表示，每一種顏色代表一個HALL電勢元件的信號，360°為一個周期，各信號之間互差60°。

三個HALL電勢信號一共存在8種狀態，可以分別通過結構框圖如圖3所示的解碼器的非門、與門等邏輯變換得到三個電動勢輸出，即emf_a、emf_b、emf_c， 這三個信號分別由“1”、“0”和“-1”這三個電平信號表示，波形分別用三種顏色（紅、藍、綠）表示，如圖4所示。這些波形和霍爾電勢元件脈沖信號ha、hb、hc具有以一對一關系，這樣，從霍爾位置檢測元件輸出的三個信號經過邏輯變換后也變成8種狀態，真值表如表1所示。

3 門極驅動模塊

門極驅動模塊的作用是把從解碼器傳送過來的三個電動勢信號：emf_a、emf_b、emf_c進行邏輯判定，即把三個信號通過邏輯判斷得到Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6這六個信號，邏輯框圖如圖5所示。這六個信號分別用高電平“1”和低電平“0”表示，每一個狀態中有兩個“1”和四個“0”，對三相橋的無刷直流電機的逆變器而言，任意時刻，始終有兩個功率管導通，而另外四個則處于不導通狀態。因此，當高電平有效時，通過門極驅動模塊就可以把從HALL元件輸出的三個信號最終轉化為適合于無刷直流電機控制的所需信號，真值表如表2所示，可見有效狀態有六個（其中兩個“000000”為無效狀態），波形圖如圖6所示。分別用六種不同顏色表示，每一種顏色表示一個信號的波形，即在任意不同時刻對應的高低電平值。

4 PWM波形控制器模塊

脈寬調制信號(PWM)是一系列脈寬不斷變化的脈沖。這些脈沖在幾個有著固定長度的周期內展開，每個周期內有一個脈沖。這個固定的周期稱為PWM(載波)周期，其倒數即是PWM(載波)頻率。PWM脈沖是根據調制信號序列的預定值決定或調制而成的。

PWM波形控制器模塊的作用是根據需要給無刷直流電機提供PWM波，由于無刷直流電機的轉矩只與方波的電流成正比，電流的頻率和相位由轉子位置決定。

PWM信號的寬度由ur控制，ur的幅值高，PWM波的占空比大，逆變器輸出的電壓幅值就高，流過定子繞組的電流就大；反之則小。

根據上述原理，可以設計一個產生PWM波的波形控制器，其結構框圖如圖7所示。

由圖可見，從門極驅動模塊傳送來的信號分別為Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，這六個信號作為轉換開關轉換條件，用來判定轉換開關的輸出，其輸出根據條件的不同，輸出“0”或者輸出矩形波。矩形波的產生是根據PWM波形的產生原理，由一個三角波和一個恒定數值通過差值比較得到，然后，由PWM波就可以實現對逆變器的半橋斬波，其仿真過程中產生的波形如圖8所示。

在MATLAB環境下，通過運用通用化、模塊化設計思路，進行無刷直流電機速度閉環控制的系列仿真實驗，從而為設計具有優良性能的無刷直流電機速度閉環PI控制器提供理論依據。仿真實驗的實踐表明，使用軟件仿真，可以節約系統開發時間、節約成本、避免大量無用的重復工作。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”