电动汽车驱动控制系统中关键模块的仿真

摘要：在MATLAB下建立了永磁无刷直流电动机的仿真模型，并对其中的关键模块进行了研究和仿真，仿真结果表明MATLAB为分析和设计BLDCM控制系统提供了有效的手段和工具。

关键词：无刷直流电动机；MATLAB；闭环

中图分类号：U469文献标识码：A文章编号：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环境下，利用SimPowerSystemToolbox丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，可以建立BLDCM控制系统仿真模型，具体结构框图如图1所示。

BLDCM建模仿真系统采用速度闭环控制方案，转速环由PI调节器构成，根据模块化建模的思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块。其中主要包括：BLDCM本体模块、逆变器模块、速度调节模块、解码器模块、门极驱动模块、PWM波形控制模块等。通过这些功能模块的有机整合，就可在Matlab/Simulink中搭建出BLDCM控制系统的仿真模型，并实现闭环的控制算法，以下对各关键功能模块的作用进行分析和仿真。

2 解码器模块

在永磁无刷直流电机中，利用转子位置传感器对电机位置进行检测，对输出信号进行逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各绕组按顺序导通，保证电机连续工作。无刷直流电机的运转是通过霍尔元件来判定转子位置，然后通过逆变器给BLDCM供电。在整个控制系统的仿真模型中，处理好霍尔元件的信号对系统的正常运行至关重要，必须保证霍尔电势元件能及时正确地对转子位置进行判断并把测得的信号传输给信号处理单元产生所需的PWM波形。所以，解码器模块的作用就是处理从霍尔（HALL）元件中产生的脉冲信号ha、hb、hc，分别由高电平“1”和低电平“0” 两种电平信号表示出来，这三个信号波形如图2所示。分别用三个（红、蓝、绿）不同颜色表示，每一种颜色代表一个HALL电势元件的信号，360°为一个周期，各信号之间互差60°。

三个HALL电势信号一共存在8种状态，可以分别通过结构框图如图3所示的解码器的非门、与门等逻辑变换得到三个电动势输出，即emf_a、emf_b、emf_c， 这三个信号分别由“1”、“0”和“-1”这三个电平信号表示，波形分别用三种颜色（红、蓝、绿）表示，如图4所示。这些波形和霍尔电势元件脉冲信号ha、hb、hc具有以一对一关系，这样，从霍尔位置检测元件输出的三个信号经过逻辑变换后也变成8种状态，真值表如表1所示。

3 门极驱动模块

门极驱动模块的作用是把从解码器传送过来的三个电动势信号：emf_a、emf_b、emf_c进行逻辑判定，即把三个信号通过逻辑判断得到Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6这六个信号，逻辑框图如图5所示。这六个信号分别用高电平“1”和低电平“0”表示，每一个状态中有两个“1”和四个“0”，对三相桥的无刷直流电机的逆变器而言，任意时刻，始终有两个功率管导通，而另外四个则处于不导通状态。因此，当高电平有效时，通过门极驱动模块就可以把从HALL元件输出的三个信号最终转化为适合于无刷直流电机控制的所需信号，真值表如表2所示，可见有效状态有六个（其中两个“000000”为无效状态），波形图如图6所示。分别用六种不同颜色表示，每一种颜色表示一个信号的波形，即在任意不同时刻对应的高低电平值。

4 PWM波形控制器模块

脉宽调制信号(PWM)是一系列脉宽不断变化的脉冲。这些脉冲在几个有着固定长度的周期内展开，每个周期内有一个脉冲。这个固定的周期称为PWM(载波)周期，其倒数即是PWM(载波)频率。PWM脉冲是根据调制信号序列的预定值决定或调制而成的。

PWM波形控制器模块的作用是根据需要给无刷直流电机提供PWM波，由于无刷直流电机的转矩只与方波的电流成正比，电流的频率和相位由转子位置决定。

PWM信号的宽度由ur控制，ur的幅值高，PWM波的占空比大，逆变器输出的电压幅值就高，流过定子绕组的电流就大；反之则小。

根据上述原理，可以设计一个产生PWM波的波形控制器，其结构框图如图7所示。

由图可见，从门极驱动模块传送来的信号分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，这六个信号作为转换开关转换条件，用来判定转换开关的输出，其输出根据条件的不同，输出“0”或者输出矩形波。矩形波的产生是根据PWM波形的产生原理，由一个三角波和一个恒定数值通过差值比较得到，然后，由PWM波就可以实现对逆变器的半桥斩波，其仿真过程中产生的波形如图8所示。

在MATLAB环境下，通过运用通用化、模块化设计思路，进行无刷直流电机速度闭环控制的系列仿真实验，从而为设计具有优良性能的无刷直流电机速度闭环PI控制器提供理论依据。仿真实验的实践表明，使用软件仿真，可以节约系统开发时间、节约成本、避免大量无用的重复工作。

参考文献：

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[2] 袁登科,陶生桂.永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真研究[J].技术探讨与研究,2004(8):19-22.

[3] 郝东丽,贾凯,郭彤莹.基于DSP的永磁同步电机的控制设计与实现[J].计算机测量与控制,2004;12(7):635-637.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”