基于Saber的無刷直流電機控制系統仿真

　　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 系統功能仿真

　　設置無刷直流電機參數如下，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：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的建模與分析，系統仿真試驗證明，控制系統工作正常，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點。因此，基于Saber的電機控制系統的仿真分析，可以在掌握系統的動態特性的同時，實現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和分系統設計為電機控制系統的應用提供了非常有效的設計手段。