無刷直流電機雙閉環控制的仿真研究

陳斌

（西安航天三沃機電設備有限責任公司，陜西西安，710100）

0 引言

無刷直流電機是指具有串勵直流電機起動特性和并勵直流電機調速特性的梯形波/方波直流電機，其基本結構由電機本體、功率驅動電路及位置傳感 器三者組成[1]。無刷直流電機英文簡稱BLDC，區別于有刷直流電機，無刷直流電機不使用機械的電刷裝置換向，采用方波自控式永磁同步電機，以霍爾傳感器檢測轉子位置，取代碳刷換向器，通過準確的換向邏輯使逆變橋電路驅動定子繞組輪流通電，轉子磁極與相電流產生的旋轉磁場相互作用，驅動永磁轉子運轉[2]。

1 無刷直流電機換向控制方法

無刷直流電機的三個繞組連接方式為星型連接，為了使電機的永磁轉子旋轉，就需要驅動電路產生旋轉磁場，且磁場的位置隨永磁轉子位置變化而變化。如圖1 所示為基于Matlab 2016b/Simulink 搭建的橋式驅動主電路。

驅動換向主回路開關器件采用IGBT 器件，IGBT 晶體管器件具有功率雙極型晶體管和功率MOSFET 的共同優點[3]。橋式驅動主電路通過控制上下橋臂6 個IGBT 開關管的導通順序，便可實現直流無刷電機不同的繞組通電，完成六步換向。全橋式驅動電路的導通方式有兩種，一種是二二導通，另一種是三三導通，本次采用二二導通方式。圖2 所示為六步循環驅動換向過程各相上施加電勢。

六個IGBT 器件控制A、B、C 相通斷，每一瞬間使兩個開關同時導通，會有六種組合即AB、AC、BC、CA、CB。每一次切換狀態間隔角度為60°，那么每個IGBT 器件的開關持續角度為120°。無刷直流電機的三個霍爾位置傳感器能夠準確地發出IGBT 器件的換相信號，三個霍爾位置傳感器輸出信號相位延遲角為120°。轉子磁極位置信號被轉變成電平信號，控制系統判定霍爾位置電平信號，依次換相使電樞繞組中的電流信號順序變化，從而控制定子繞組換相。進而通過氣隙形成磁場，帶動轉子旋轉。霍爾位置傳感器電平信號與全橋IGBT 器件開關的關系如圖3 所示。

圖3 電機各繞組施加電勢相序

以驅動正轉換相為例的IGBT 器件導通真值如表1 所示。

表1 IGBT器件導通真值表

無刷直流電機驅動橋電路一般采用PWM 調制方式驅動，采用“單斬”方式能夠有效減少功率器件的損耗和開關應力，有效提高了系統的可靠性[4]。

2 無刷直流電機雙閉環控制系統建模

無刷直流電機雙閉環控制系統是經速度反饋調節計算和電流反饋調節計算后將結果直接作用于逆變環節，從而達到無刷直流電機電樞電壓調節的效果，進而調節了各相的電流。在這個調節過程中，速度反饋調節處于最外環，系統給定轉速n 與電機實際反饋值n 誤差Δn為速度環的控制輸入，經過第一個PI 調節算法計算并限幅輸出到電流反饋調節環；電流反饋調節環以速度反饋調節環的輸出作為輸入，與測量到的電機各相繞組電流相減得到電流誤差Δi，經過第二個PI 調節算法計算并限幅輸出給PWM 脈寬調節器；由PWM 脈寬調節器驅動全橋逆變電路使直流無刷電機各相繞組獲得電壓。

無刷直流電機雙閉環控制系統采用速度反饋調節環和電流反饋調節環控制，使系統達到既調速又穩速的目的，提高系統動靜態性能[5]，總體框圖如圖4 所示。

圖4 無刷直流電機控制系統框圖

3 無刷直流電機系統仿真模型

3.1 全橋逆變模塊

全橋逆變模塊是無刷直流電機控制系統主回路的主要部分，由全橋逆變電路和直流電源組成。本文所采用的IGBT 全橋逆變模塊能夠將直流電源轉換成電壓有效值可控的交流電源，提取路徑為powerlib/Power Electronics/Universal Bridge；直流電源提取路徑為powerlib/Electrical Sources/DC Voltage Source；為了便于觀察直流端電流值，我們還需加入電流測量模塊和顯示器，提取路徑分別為powerlib/Measurements/CurrentMeasurement 和simulink/Commonly Used Blocks/Scope；全橋逆變模塊仿真如圖5 所示。

圖5 全橋逆變模塊仿真

3.2 無刷直流電機模塊

無刷直流電機是永磁式同步電機的一種，本文選用Simulink 中永磁同步電機模型，提取路徑為powerlib/Machines/Permanent Magnet Synchronous Machine;在屬性窗口將反電動勢波形設置成梯形波（Trapezoidal）；在模型中我們可以直接測得霍爾位置傳感器信號、三相繞組電流信號、三相繞組反電動勢、轉速信號和轉矩信號。無刷直流電機模塊如圖6所示。

圖6 無刷直流電機模塊

3.3 換相模塊

換相模塊根據無刷直流電機霍爾位置傳感器hall_a、hall_b 和hall_c 高低電平信號控制全橋逆變電路的六個IGBT 器件順序導通。本文采用Matlab2016b 中的S 函數并結合表1 編制換相模塊，提取S 函數路徑為simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function，S 函數代碼如圖7 所示。

圖7 換相函數

3.4 PWM 調節模塊

PWM 調節模塊根據電流環輸出的信號調節電壓脈沖的占空比，改變了IGBT器件的導通時間，也就是說占空比越小，IGBT 器件的導通時間越小，占空比越大，IGBT 的導通時間越長，進而改變了無刷直流電機電樞有效電壓值。PWM模塊提取路徑為powerlib_meascontrol/Pulse&Signal Generators/PWM Generator(DC-DC)；需要指出的是PWM Generator(DC-DC)模塊的輸入范圍是0～1，其中0 脈沖寬度為0,1 對應脈沖寬度最大。PWM 調節模塊輸出和換相模塊輸出進行邏輯“與”運算，仿真結構如圖8 所示；無刷直流電機控制系統仿真如圖9 所示。

圖8 PWM 調節模塊

圖9 無刷直流電機控制系統仿真

3.5 電流采集模塊

電流采集模塊采集無刷直流電機繞組電流，根據霍爾位置傳感器信號和反電動勢信號選擇某時刻導通相的相電流，霍爾位置傳感器信號和反電動勢信號真值表如表2 所示；采集上來的電流值作為實際電流值送入電流環參與內環控制。根據IGBT 器件導通真值表2 可知有六種階段電流值，反電動勢仿真如圖10 所示，電流采集仿真如圖11 所示。

圖10 反電動勢仿真圖

表2 霍爾位置傳感器信號和反電動勢信號真值表

圖11 電流采集仿真圖

4 無刷直流電機雙閉環控制系統

根據上述在Matlab2016b/Simulink 中建立的無刷直流電機控制系統仿真模型，做轉速和電流雙閉環仿真分析。直流電壓源設定電壓為96V；全橋逆變模塊選用默認參數；無刷直流電機模塊中相電阻設置為2.875Ω，相電感設置為0.0085H，轉動慣量設置為0.09kg·cm2。目標轉速設置為n_r=150r/min，仿真時間T=0.6s，解析算法（Solver）設置為ode45，類型（Type）設置為Variablestep，仿真分析控制系統模型的動、靜特性，圖12 所示為霍爾信號hall_a 與反電動勢EMF_a 曲線圖形，圖13 所示轉矩和速度曲線圖形，圖14 所示為A/B/C 三相電流曲線圖；從圖12 可知無刷直流電機A 相反電動勢超前A 相霍爾信號30 度；從圖13 可知無刷直流電機啟動時需要大轉矩輸出，使其快速達到目標轉速，之后小轉矩輸出，使其維持目標轉速；從圖14 可知相電流輸出的大小與轉矩大小相對應，即無刷直流電機啟動時需要大的相電流，運行平穩后需要小電流維持目標轉速。

圖12 hall_a 與EMF_a 曲線圖

圖13 轉速及轉矩曲線圖

圖14 三相電流曲線圖

直流無刷電機作為四輪獨立驅動/轉向電動汽車的驅動電機，需要滿足車輛在正常行駛過程中速度不斷變化的情況，為了模擬這種狀態初始目標速度設置為1400r/min，在0.2s時目標轉速變為1500r/min，0.4s 時目標轉速降為1300r/min，仿真速度曲線如圖15 所示，從圖中可以看出加速過程速度響應快，減速過程速度存在“斜坡”，“斜坡”是由于減速過程沒有制動，無刷直流電機的轉動慣量決定的。

圖15 速度曲線圖

目標速度設置為1400r/min，在0.2s 時增加電機負載為0.2，在0.4s 時減小電機負載為0，仿真速度曲線如圖16 所示，圖中1 和2 處可以看出速度出現了波動，但又很快恢復了回去。

圖16 速度曲線圖

5 結語

通過在Matlab/Simulink 平臺軟件上仿真可知：以無刷直流電機建立的雙閉環控制系統控制模型簡單易實現，控制系統具有較好的速度響應能力，能夠輸出較大的力矩，這為工業自動化控制提供了一種有效的控制方法，拓展了工業自動化的解決方案。