解析無刷直流永磁電機驅動系統的工作原理

杜世勤

（上海電機學院，上海 201306）

當今世界科技發展迅猛，加速了工業方面的機械設備和機電化產品的更新換代，一些技術陳舊的產品已經不能滿足市場的需求，因而，急需研發和生產一系列高性能、高精度和高效能的機電一體化設備，比如鑄造機械、空氣系統設備、醫療器械等，這就在一定程度上有效推進了直流無刷電動機的控制系統的飛速發展，更好地滿足了各個行業對新一代機械設備和機電一體化產品所提出的高、精、尖的要求[1]。

無刷直流永磁電動機有著直流電機調速簡單、結構簡單的優點，還有著有刷直流電機不具備的優點，即無需投入資源維修保養，電流轉速雙閉環控制使其控制更為精準，節省能源的同時也可以讓電機更快響應，以更少的能源讓電機更快地達到穩定狀態，電流環轉速環會讓電機的波動更小，輸出的轉速和轉矩更穩定。這種電機被廣泛運用于計算機、軍工業、電力拖動等領域，相比于普通的直流電動機，無疑具有更好的發展前景。因此，建立起無刷直流永磁電動機的控制系統的仿真模型，就可以更快更準確地完成電機驅動系統設計，在更短的時間創造更大的收益。

1 驅動無刷永磁直流電動機的基本電路及其工作模式

無刷永磁直流電動機運行系統主要由3 個子系統組成：一個是電機本體，一個是轉子位置傳感器，還有就是電力電子驅動器件和弱電控制部分。驅動管的控制電極一般要連在計算機輸出信號控制的光耦器件上，光耦器件聯系著弱電和強電，起著遠程信號傳輸和保護的功能。半橋驅動如圖1 所示，旋轉電機的一種供電方式是從A 相到B 相再到C 相，另外一種供電方式從A 相到C 相再到B 相，完成電動機的正反向旋轉，對于學過電機與拖動的學生來說，2 種方向的定子旋轉磁場一目了然，容易理解。這種半橋驅動的缺點也是顯而易見，那就是在每一個時間段，只有一相繞組在提供電能，另外兩相在空閑之中，繞組利用率不高。為了提高繞組的利用率，可以采用全橋供電方式。

圖1 半橋驅動直流無刷電機

全橋驅動電路如圖2 所示，電機以星形接法為例，采用兩兩導通方式，一種旋轉供電方式是VT6、VT1導通，接著VT1、VT2 導通，VT2、VT3 導通，VT3、VT4 導通，VT4、VT5 導通，VT5、VT6 導通，完成電氣360°一圈旋轉之后，進入第二圈，又從VT6、VT1導通，周而復始。這種全橋驅動電路的好處是A、B、C 三相繞組，一相正導通，一相負導通，兩相合力拖動電機旋轉，提高了電機繞組的利用率。

圖2 星形連接橋式驅動直流無刷電機

早期無刷直流永磁電機主要利用模擬電路進行電機控制，模擬電路雖然可以實現連續控制，但電路設計較為復雜，基本器件過多，空間體積較大，可靠性不高，維護檢修復雜，且無法實現復雜控制算法，難以適應現代無刷直流永磁電機控制的性能需求，當下電子技術的發展使得數字、模擬混合電路逐步取代了純模擬電路，被應用于各種場合下的控制系統[2]。

不管模擬電子控制驅動電路，還是數字電路控制驅動電路，電機驅動自動控制系統是工科大學生學習自動控制技術的一個重要組成部分。特種電機中的許多產品用于組成自控系統，自整角機利用電機的自整步性，使機械上互不相連的2 根或多根轉軸自動地保持相同的轉角變化，實現角度信號的遠距離傳輸和指示；旋轉變壓器用于在復雜和惡劣工作環境中測量電機轉子位置信號；測速發電機把轉速信號變為電壓信號用于測定電機轉速。可以說，電機驅動系統既是手段，也是目的。伺服控制系統被廣泛地應用于工業生產和人們生活中。

形成閉環是自動控制系統的主要特征，無刷直流永磁電機驅動自動控制系統中的電機繞組和電機轉子是2 個動態變量，分別使用定子電感和電機轉動慣量的大小來描述。電機的電流和轉速是需要控制的2 個物理量，克服負載轉矩以一定轉速旋轉是電機的本職工作，但是啟動時繞組不能承受太大的電流，即電機要給負載一定的加速度，同時不能讓電機繞組過熱燒壞。從一般到特殊，無刷直流永磁電機驅動自動控制系統通常也采用電流轉速雙閉環控制策略。

使用傳統自動控制理論分析電機驅動自動控制系統，可以分別列出這個無刷永磁直流電動機的微分方程組進行拉普拉斯變換，消去中間變量，得出傳遞函數。得出傳遞函數的電機驅動自動控制系統如果不考慮非線性因素，可以有解析解，一般盡量避免直接解微分方程，使用時域分析方法、根軌跡方法和頻域法分析系統的穩準快問題，計算出上述電流環和轉速環的控制參數。

2 無刷直流永磁電機驅動系統的Simulink 仿真

工科學生經常使用Matlab 編程和仿真，其中控制系統的仿真是用得最多的一種。經典控制理論在電機的驅動過程中被廣泛的使用，且有較好效果。根據上述第二部分無刷直流永磁電機驅動系統電機本體和控制策略的分析，下面采用Matlab 平臺上的Simulink 仿真模塊，用具體的一個例程，解析無刷直流永磁電機驅動系統的工作原理。

無刷直流永磁電機是控制的對象，把這個核心元件擺好后，就要對其參數進行設置。這里將梯形波反電勢電角度設置為120°，每相繞組中永磁磁鏈設置為0.184 8 Wb，當然也可以換一種設置方法，設置每千轉感應電勢數值，即電勢系數，甚至轉矩系數。電機的定子電阻為4.765 Ω，定子電感為8.5 mH，電機轉動慣量設置為0.008 kg·m2，阻尼系數設置為0.001 N·s/m，電機的極對數設置為2。采樣的電機信號有三相定子電流、3 個霍爾位置信號、角速度和電磁轉矩。電流閉環要用到3 個定子電流信號，本例程中把電流限制在10 A 以下，用它和轉速環的輸出作差，作為電流環的輸入。閉環要用到角速度信號、轉速，用它和給定的2 000 r/min 作差，作為轉速環的輸入。負載轉矩給定1.5 N·m，直流母線電壓300 V，采用上述圖2 的典型逆變橋模塊，電機以2 000 r/min 帶動給定負載旋轉，最終要靠逆變橋輸出對應的三相定子繞組電壓源提供能量，不同的負載需要PWM 調制出不同的定子繞組電壓。電機控制系統仿真整體框圖如圖3 所示。

圖3 電機控制系統仿真整體框圖

要采用Matlab 平臺上的Simulink 仿真模塊中的無刷直流永磁電機，就必須遵循該模塊使用說明標注的各繞組上電導通的邏輯順序，霍爾信號和反電勢信號要對應起來，否則仿真結果就會出錯。在Simulink 仿真自帶的示例中，根據霍爾信號ha、hb、hc，使用邏輯電路連線控制各相上下橋臂導電順序，本文采用編程來實現同樣的仿真功能。根據霍爾信號ha、hb、hc和脈寬調制信號PWM，依據本文第二部分所述，結合霍爾布置，按序導通上下橋臂功率管，PWM 調制可在上橋臂1、3、5 中完成，也可以在下橋臂2、4、6 中完成。本例程采用上橋臂1、3、5 中進行PWM 調制，使用matlab function 模塊，編制具體程序如下：

function[y1,y2,y3,y4,y5,y6]=fcn(ha,hb,hc,PWM)

y1=0;y2=0;y3=0;y4=0;y5=0;y6=0;

tmp=hc*4+hb*2+ha;

if tmp==4

y1=0;y2=0;y3=0;y4=1;y5=1*PWM;y6=0;

end

if tmp==6

y1=0;y2=1;y3=0;y4=0;y5=1*PWM;y6=0;

end

if tmp==2

y1=0;y2=1;y3=1*PWM;y4=0;y5=0;y6=0;

end

if tmp==3

y1=0;y2=0;y3=1*PWM;y4=0;y5=0;y6=1;

end

if tmp==1

y1=1*PWM;y2=0;y3=0;y4=0;y5=0;y6=1;

end

if tmp==5

y1=1*PWM;y2=0;y3=0;y4=1;y5=0;y6=0;

end

end

通過加入可能的負載，本例程為1.5 N·m，模擬工作環境下的電機，監測電機的工作性能。系統采用轉速、電流的雙閉環控制，完成對轉速和電流的監測，如圖4 和圖5 所示。在圖4 中，可見轉速從0 開始，穩步地運行到圖3 中指令給定的2 000 r/min，然后就穩定地運行在這個速度上。圖5 清晰地顯示出電流環的作用，雖然在啟動時電動機的轉速較低，反電勢較小，但定子繞組中也沒有出現大電流，電流值約為最后穩定運行時的2 倍。電流環轉速環各司其職，體現出仿真軟件可以節約設計成本、提高設計可視化程度、提高工科學生解決復雜工程問題的作用。

圖4 仿真轉速波形圖

圖5 定子電流波形圖

進一步，在上述電機控制仿真系統基礎之上，加上轉子位置環節的控制，就可以實現位置伺服功能。電流環在最里面，控制無刷直流永磁電機轉子的加速度，速度環在中間，控制運行速度，位置環在最外面，使電機驅動的生產工件停在給定的位置處。至于PWM調制方式，有調制波為直流斬波的方波脈寬調制技術、調制波為正弦波的正弦脈寬調制（SPWM）技術和調制波為馬鞍波的空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術[3]。馬鞍波是通過對基波正弦信號注入3 次諧波形成的，和正弦波相比，馬鞍波的電壓利用率更高，可有效減小負載電流中的諧波成分，降低轉速波動[3]。集成多種PWM 調制的直流無刷電機控制系統設計能進一步完善無刷直流永磁電機驅動系統的性能。

3 總結和展望

結合無刷直流永磁電機驅動系統的工作原理，可以在上述單管導通和上下橋臂雙管導通2 種驅動電路的基礎之上，進一步學習相關的專著，掌握上下橋臂三管導通的驅動電路，并把相關的更高層次的自動控制設計技術應用進去。電機的驅動系統是自動控制原理最經典有效的應用場合，通過解析無刷直流永磁電機驅動系統的工作原理，滿足霍爾信號和反電勢信號的對應關系，借助Matlab 平臺，采用電流和轉速雙閉環的控制策略，使用其中的Simulink 模塊仿真，通過圖形顯示轉速和電流的變化情況，用以提高工科學生理論聯系實際的能力。