来自系列:电机控制
Mathworks Melda Ulusoy
了解无刷直流电机(BLDC)的基础知识。BLDC电机提供刷牙直流电机的许多优点。它们具有高效率和低维护,并常用于家电,机器人和汽车行业。
你会学到:
查看此视频以了解如何从划痕构建BLDC的模型,并使用Simscape Electract模拟其反EMF电压。
此视频中使用的模型可用这个github存储库。
在这个系列中,我们将谈论无刷直流电机。该视频将涵盖基础知识以及这些电机如何工作和在下一个产品中,我们将更多地讨论电机控制。
日常设备到更复杂的机器都使用无刷直流电机将电能转换为旋转运动。无刷直流电机,也称为BLDC,提供了刷子对应物的许多优点。BLDCS提供更高的效率,需要降低维护,这就是他们在过去几十年中更换了许多应用中的拉丝电机的原因。
这两种电机的运行原理相似,其旋转运动是通过永磁体和电磁铁的磁极相互吸引和相互排斥而产生的。然而,这些电机的控制方式是非常不同的。bldc需要一个复杂的控制器将直流电源转换为三相电压,而刷式电机可以很容易地由直流电压控制。
在这里,我们将向您展示刷式直流电机的简单动画。通过通过线圈绕组通过DC电流,我们用这些磁极产生电磁铁。然后这些极点与永磁体的极相互作用,使转子旋转。注意,在转子的每半转后,保持转子旋转,我们需要翻转电磁铁的极点,这通过切换线圈绕组中电流的极性来完成。这种相位的阶段称为换向。在拉丝电动机中,换向作为电动机旋转时,电刷与转子的换向器接触的情况下发生换向。由于这种物理接触,刷子随着时间的推移磨损,影响电机性能。
BLDCS通过用电子驱动的换向来克服拉丝电机的缺点。为了更好地理解这一点,让我们来看看BLDC电机结构。
您可以将一个BLDC视为刷式电机的翻转版本,因为永磁磁铁现在成为转子,而线圈绕组成为定子。存在具有不同磁体布置的电动机,其中定子可以具有不同数量的绕组,并且转子可以具有多个磁极对。除了不同的配置之外,您还可以遇到类似的结构化电机,永磁同步机或PMSM。
BLDCS和PMSMS被定义为具有转子中永磁体的同步电动机。它们的关键区分器是其反态电压的形状。当它们旋转时,电机充当发电机。这意味着在与电动机的驱动电压相对的定子中引起反态电压。通过查看其形状,回调是电动机的重要特征,我们可以讲述我们拥有的什么类型的电机,它还决定了我们需要用于控制电机的控制算法的类型。BLDC具有梯形形状,通常由梯形控制控制。但是PMSMS由面向现场的控制控制,因为它们表现出正弦波EMF。有时PMSM和BLDC电动机在电机控制界中可以互换使用,这可能会导致其反EMF型材的混淆。但在该视频系列中,我们将参考具有梯形电动势的电机作为BLDCS和MOTORS,具有正弦返回EMF作为PMSMS。
观察反态塑造的简单方法是使用仿真。我们可以使用开路端子模拟一个杆对BLDC。这意味着没有一个线圈被驱动。但我们可以施加一些扭矩来旋转转子,使其类似于发电机,然后在A相A中测量电压,这将向我们提供反电动势。如您所见,BLDC电机的后换电源具有梯形形状,包括电压保持平坦的区域。这告诉我们我们可以使用直流电压来控制该电机。
接下来,我们将讨论电动机的内部工作原理。为此,我们将使用一个简单的配置,转子仅由一个单极对和定子由三个线圈间隔120度。线圈可以通过通过它们的电流来通电,我们将其称为a、B和c相。转子的北极用红色表示,而蓝色表示南极。
目前,线圈没有通电,转子是静止的。施加两相,A和C沿着虚线产生组合磁场。结果,转子现在开始旋转以使定子磁场对齐,如此动画所示。
有六种可能的线圈对的方法。通过一次换乘两个阶段,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子转动并最终在动画中所示的位置。转子角度相对于水平轴测量,并且存在六个不同的转子对准,每个转子对准彼此间隔60度。这意味着,如果我们可以每60度换乘阶段,我们可以使电机旋转。这称为六步换向或梯形控制。注意,通过更多的极对,换向发生换向。要正确地向电动机正常换向使用正确的阶段,我们需要知道转子位置,该位置通常通过使用霍尔传感器来测量。
让我们讨论一下两极是如何相互作用的。这里,箭头代表相对磁力,箭头厚度表示磁场强度。这两个相同的磁极相互排斥,使转子逆时针旋转。同时,相反的磁极相互吸引,转子继续向同一方向转动。一旦它完成了60度的旋转,下一个交换就发生了。让我们也展示一下我们之前在动画中讨论过的定子磁场。正如你所看到的,换向是以这样一种方式发生的,转子永远不会与定子磁场对齐,但总是追逐它。
以下是可以解释这种行为的两个事实。首先,当转子和定子磁场对齐时,电机产生零扭矩。所以我们永远不会让他们对齐。其次,当字段彼此处于90度时,会发生最大扭矩。因此,目标是将此角度达到90度。但是,在BLDC电机中,我们从未达到90度,六步换向,但角度在某种程度上波动。这是由于梯形控制的简单性质。但是更先进的技术,如面向现场的控制,通常用于控制PMSMS,如前所述,允许通过在定子和转子磁场之间实现90度来产生更大的扭矩。
为了控制六步换相,使用三相逆变器将直流电源转换为三相电流,动画中用红色和蓝色表示。为了向其中一相提供正电流,需要打开连接到该相高侧的开关。对于负电流,低侧开关需要打开。三相逆变器转换恒定电压,使电机保持恒定转速。但要控制电机在不同的速度,我们需要能够调整施加的电压。一种方法是使用PWM。但我们会在接下来的视频中更详细地讨论它。想了解更多关于无刷直流电机的信息,不要忘记查看下面这个视频的链接。
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