基于Saber的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真

　　如圖4為一個三相逆變器的半橋電路原理圖。

　　對于低端的管子Q4，由于其源極(s)接地，所以當控制Q4導通時，只要在Q4的柵極加大于閾值的電壓信號Ud即可;但對于高端的管子Q1，由于其源極電位U是浮動的，僅靠單獨在Q1的柵極上施加電壓信號Up控制Q1導通比較困難。

　　基于以上分析，功率開關管一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式。對于隔離驅動模式，6個功率開關器件都采用獨立的驅動電路驅動，都需要一組輔助電源，各個電路之間還要互相懸浮，增加了電路的復雜性，可靠性下降。而自舉型功率橋驅動集成電路具有獨立的低端和高端輸入通道，懸浮電壓采用內(nèi)置自舉電路完成，僅需要一個直流電源，就可輸出半橋功率開關管的驅動脈沖。

　　本文三相逆變橋的功率驅動集成電路采用IR美國國際整流器公司生產(chǎn)的專用驅動芯片IR2110，功率開關管選用MOSFKTIRFP260N。IR2110驅動一個半橋的電路如圖5所示。其中，C1、VD分別為自舉電容和二極管，Rg為柵極串聯(lián)電阻。

　　自舉電容C1用來給高端IRFP260N提供懸浮電源。一個半橋的高端管在導通前需要先對自舉電容C1充電，當C1兩端電壓超過閾值電壓，高端管開始導通。自舉電容必須能夠提供功率管導通時所需要的柵極電荷，并且在控制高端管導通期間，自舉電容兩端電壓要基本保持不變。自舉電容過小，導致自舉電容可能有較大的紋波。自舉電容取值一般為0.1～1μF，這里選擇自舉電容值為1 μF。

　　當高端IRFP260N管開啟時，自舉二極管D1必須承受著和IRFP260N漏極相同的電壓，所以二極管的反向承受電壓要大于母線電壓，并且應該是快恢復二極管，以減少自舉電容向電源的回饋電荷。

　　建立逆變器電路的仿真分析模型并進行仿真分析，高端管Q1、低端管Q4的控制信號G1_C、G4_C，Q1管的柵極驅動信號Q1_G，柵源電壓Q1_GS，Q1、Q2的中點電位U，Q4管的柵極驅動電壓Q4_G仿真分析結果如圖6所示。

　　在圖6中，在時刻“1”，低端Q4功率管的控制信號Q4_C有效，經(jīng)過驅動集成電路IR2110后，Q2的柵極驅動信號Q2_G為11.988 V，其柵源電壓大于IRFP260的導通閾值，Q2導通，此時Q1管關斷;在時刻“2”，低端Q1功率管的控制信號Q1_C有效，經(jīng)過IR2110后，Q1的源極電位U為90V，Q1的柵極電位Q1_C被自舉電容升高到101.95V，此時Q1的柵源電壓Q1_GS為11.95V，大于功率管的導通閾值，Q1導通，此時Q2關閉。可以看到，三相逆變器電路的設計可以可靠控制功率管的開通和關斷。

　　2 系統(tǒng)功能仿真

　　設置無刷直流電機參數(shù)如下，2對極，單相繞組電阻為1.65 Ω，繞組電感為1 mH，反電動勢系數(shù)ke=0.048，轉子轉動慣量為j=4.189 x10-6 kg*m2。設置PWM占空比為0.6，頻率為10 kHz，對整個電機控制系統(tǒng)進行仿真。三相繞組的電壓U、V、W，電機轉速Wrm，電機轉子機械轉角Theta的仿真分析結果如圖7所示。

　　由上圖可以看到，由于PWM占空比為0.6，無論正向轉動還是負向轉動，電機均處于加速狀態(tài)：當DIR為“0”時，電機向負方向轉動;當DIR為“1”時，電機正向轉動。從結果可以看到，無刷直流電機控制系統(tǒng)工作正常。

　　3 結論

　　本文利用仿真軟件Saber完成了無刷直流控制系統(tǒng)的建模與分析，系統(tǒng)仿真試驗證明，控制系統(tǒng)工作正常，仿真精度高，其仿真結果與理論分析相吻合。Matlab/Simulink仿真軟件主要適合電機控制系統(tǒng)研究，Pspice仿真丁具主要適合電力電子電路的分析，Saber軟件包含豐富的電力電子元器件、電機模型庫，運算精度高，同時具備以上兩種分析工具的優(yōu)點。因此，基于Saber的電機控制系統(tǒng)的仿真分析，可以在掌握系統(tǒng)的動態(tài)特性的同時，實現(xiàn)對電路設計的詳細設計和精細分析，對控制策略、算法進行驗證，從而更加有效地進行系統(tǒng)和分系統(tǒng)設計為電機控制系統(tǒng)的應用提供了非常有效的設計手段。