电机控制,第1部分:无刷直流电机简介
从系列中:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
学习无刷直流电机(bldc)的基本原理。无刷直流电机比有刷直流电机有许多优点。它们效率高,维护成本低,通常用于家用电器、机器人和汽车工业。
你将学习:
- bldc的内部工作原理
- 如何在Simulink中模拟BLDC万博1manbetx®使用Simscape Electrical™并研究其反电动势电压的形状
- 如何使用六步换相(梯形控制)控制无刷直流电机
- 无刷直流电机和永磁同步电机(pmms)通常分别由梯形和场定向控制控制
查看此视频,了解如何从头开始构建无刷直流模型,并使用Simscape电气模拟其反电动势电压。
本视频中使用的模型可在这个GitHub存储库.
在本系列中,我们将讨论无刷直流电机。本视频将涵盖基础知识和这些电机是如何工作的,在接下来的视频中,我们将讨论更多关于电机控制。
日常设备到更复杂的机器都使用无刷直流电动机,将电能转化为旋转运动。无刷直流电动机,也称为无刷直流电动机,与有刷直流电动机相比,具有许多优点。bldc提供更高的效率,需要更低的维护,这就是为什么在过去的几十年里,它们在许多应用中取代了有刷电机。
两种类型的电机都基于类似的原理运行,其中旋转运动是通过永磁体和电磁铁磁极的吸引和排斥产生的。然而,这些电机的控制方式是非常不同的。无刷直流电机需要一个复杂的控制器将直流电源转换为三相电压,而有刷电机可以很容易地由直流电压控制。
在这里,我们将向您展示一个简单的有刷直流电机动画。通过使直流电流通过线圈绕组,我们用这些极点产生一个电磁铁。然后这些磁极与永磁体的磁极相互作用,使转子旋转。注意,在转子每转半圈之后,为了保持转子旋转,我们需要翻转电磁铁的两极,这是通过切换线圈绕组中电流的极性来完成的。这种相位的转换称为换相。在有刷电机中,当电机旋转时,电刷与转子的换向器接触,机械地发生换向。由于这种物理接触,电刷会随着时间的推移而磨损,影响电机性能。
无刷直流电机克服了有刷电机的缺点,用电子驱动换向取代了机械换向。为了更好地理解这一点,让我们来看看无刷直流电机的结构。
你可以把无刷直流电机想象成一个翻转版的有刷电机,因为永久磁铁现在变成了转子,而线圈绕组变成了定子。有电机与不同的磁体安排,其中定子可能有不同数量的绕组和转子可能有多个极对。除了不同的配置,你也可能遇到类似的结构电机,永磁同步电机,或永磁同步电机。
无刷直流电机和永磁同步电机被定义为转子中装有永磁体的同步电机。它们的关键区别在于反电动势电压的形状。马达旋转时起发电机的作用。这意味着在定子中感应到反电动势电压,这与电机的驱动电压相反。反电动势是电机的一个重要特征,因为通过观察其形状,我们可以知道我们使用的是哪种类型的电机,它也指示了我们需要使用哪种控制算法来控制电机。无刷直流电机具有梯形形状,通常采用梯形控制。由于永磁同步电机具有正弦反电动势,因此采用磁场定向控制。有时永磁同步电机和无刷直流电机在电机控制社区中互换使用,这可能会导致对它们的反电动势曲线的混淆。但在本系列视频中,我们将梯形反电动势电机称为无刷直流电机,正弦反电动势电机称为永磁同步电动机。
观察反电动势形状的一种简单方法是使用模拟。我们可以模拟一个带开路端子的单极对无刷直流电路。这意味着没有一个线圈是驱动的。但是我们可以施加一些扭矩来旋转转子,使它像发电机一样工作,然后测量a相的电压,这将给我们a相的反电动势。正如您在此示波器上看到的,无刷直流电机的反电动势具有梯形形状,其中包括电压保持平坦的区域。这告诉我们我们可以用直流电压来控制电机。
接下来,我们来谈谈电动机的内部工作原理。为此,我们将使用一个简单的配置,其中转子仅由单极对组成,定子由三个线圈组成,间隔为120度。线圈可以通过电流通电,我们将其称为a, B和c相。转子的北极用红色表示,而蓝色代表南极。
目前,没有线圈通电,转子是静止的。在两个相位上施加电压,A和C沿着虚线产生一个组合磁场。因此,转子现在开始旋转,使其与定子磁场对齐,如图所示。
有六种可能的方式激励线圈对。通过一次换相两相,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子转动,最终在动画中所示的位置。转子角度是相对于水平轴测量的,有六个不同的转子排列,彼此相隔60度。这意味着,如果我们能每60度调换正确的相位,我们就能让马达旋转。这叫做六步变换,或者梯形控制。注意,越多的极对,换相发生的频率就越高。为了在正确的时间用正确的相位对电机进行正确的换相,我们需要知道转子的位置,这通常是通过霍尔传感器来测量的。
我们来讨论一下磁极是如何相互作用的。其中,箭头表示相对磁力,箭头粗细表示磁场强度。这两种相同类型的磁极相互排斥,使转子逆时针转动。同时,相反的两极相互吸引,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。让我们也展示一下定子磁场,我们之前在动画中讨论过。正如你所看到的,换向发生在这样一种方式,转子永远不会与定子磁场对齐,但总是追逐它。
这里有两个事实可以解释这种行为。首先,当转子和定子磁场完全对齐时,电机产生零转矩。所以我们不能让他们结盟。其次,当磁场彼此成90度时,产生最大扭矩。我们的目标是使这个角接近90度。然而,在无刷直流电机中,我们从来没有实现90度的六步换相,而是在一定范围内波动。这是由于梯形控制的简单性质。但更先进的技术,如磁场定向控制,通常用于控制永磁同步电机,如我们之前讨论过的,允许产生更大的转矩通过实现定子和转子之间的90度磁场。
为了控制六步换相,使用三相逆变器将直流电转换为三相电流,如图中红色和蓝色所示。为了给其中一个相位提供正电流,连接在高侧的那个相位的开关需要打开。对于负电流,低侧开关需要打开。一个恒定的电压被三相逆变器转换,以保持电机在一个恒定的速度。但是为了控制电机以不同的速度运行,我们需要能够调整施加的电压。这样做的一种方法是使用PWM。但我们会在下个视频中更详细地讨论这个。想了解更多关于无刷直流电机的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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