电机控制,第3部分:用PWM控制无刷直流电速度
从系列中:电机控制
MathWorks的Melda Ulusoy
本视频讨论PWM -脉宽调制-和两种不同的架构来实现PWM控制,以控制无刷直流电动机的速度。
PWM是一种方波信号,以一定的频率重复自身。每个PWM周期称为一个周期,PWM信号在给定周期内打开的时间百分比决定了占空比。通过PWM,我们能够将恒定的直流电压调整到不同的电压水平。这有助于我们以不同的速度控制电机。视频演示了PWM控制的两种常用架构。在第一种方法中,我们使用buck变换器和PWM发生器来降低直流源电压到三相逆变器。在第二部分中,我们讨论了一种不同的体系结构,其中三相电压直接使用PWM控制进行调制。
看看这个系列视频了解如何构建本技术演讲视频中使用的模型。
本视频中使用的模型可在这个GitHub仓库.
在这个视频中,我们将学习什么是脉宽调制,以及它是如何被用来控制无刷直流电动机的速度的。在前面,我们讨论了如何通过调整提供给三相逆变器的直流电压来控制无刷直流电动机的不同速度。在这个模拟中,我们使用了一个理想的电压源,它让我们产生不同的直流电压水平由控制器控制。但在现实中,我们的直流电压源提供一个固定的电压,我们需要使用一种叫做PWM或脉宽调制的技术来调制,然后将其提供给三相逆变器。
这是PWM信号的样子。它基本上是一个方波信号,以一定的频率重复自己。为了理解PWM如何帮助电压调制,让我们看一个例子。假设我们有一个直流电压源,可以提供0伏或100伏。为了在不同的速度下控制电机,我们需要电压值从0到100伏。PWM就像一个开关,它获得直流电压,并以一定频率通过一系列开、关脉冲将其应用到电机上。每一个脉宽调制周期称为一个周期,脉宽调制信号在给定周期内打开的时间百分比就是占空比。例如,如果我们有一个50%的占空比,这意味着在每个周期中,一半的时间信号是打开的,另一半时间是关闭的。当我们用这个驱动电机时,电机看到的有效电压将是PWM信号的平均值,也就是50伏。我们可以取100伏的直流电压,用50%占空比的脉冲开关,产生50伏的电压。
现在,如果你不断地改变占空比,你可以不断地调制这个信号,并创建0到100伏之间的不同值的整个范围,以控制你的电机在不同的速度。注意,占空比越长,得到的电压就越高。现在我们知道PWM控制对电机看到的输出电压有平均效应。为了得到正确的平均效果,我们应该在选择PWM频率时谨慎,它是按1/周期计算的。如果开关频率过低,电机不会看到平均电压,而是会看到一个试图遵循方波形状的电压。这将导致糟糕的跟踪参考速度和电机将不断加速和减速。但是当我们将PWM频率提高到一定的合理值时,电压会被平均掉,从而提高速度控制性能。注意,由于PWM的开关特性,会产生波纹。通常,控制无刷直流电动机的PWM频率在几千赫兹的数量级上,需要选择远高于电机时间常数的倒数。
既然我们已经从概念上讨论了PWM,我们将看看用于实现PWM的两种常见架构。这是第一个。在这个模型中,我们希望BLDC跟踪所需的速度,逐步从0到600转。这个模型由我们在之前的视频中看到的类似块组成,除了这部分,我们通过使用buck转换器实现PWM控制。buck变换器用来调节直流源电压到不同的电压水平,以便能够控制无刷直流电动机在不同的速度。在这个模拟中,降压转换器的输入是由这个直流电压源块提供的,它提供500伏电压。让我们看看这个子系统内部,了解buck转换器是如何工作的。我们在这里看到的是一个PWM发生器,它产生一个1khz的方波信号。如果我们向上,我们看到PWM发电机的输入是占空比,这是由控制器决定的。PWM发生器产生的信号在0和1之间波动,并控制buck转换器的两个开关的开和关持续时间。 Depending on this duration, we observe a different amount of voltage drop at the output of the buck converter.
在这里,我们测量两个电压;一个在降压变换器的输入端,这是直流源电压,另一个在降压变换器的输出端,这是调制的直流电压,然后提供给三相逆变器。现在,我们将运行这个模型,看看这两个电压以及参考和测量速度。
在上面的图中,我们看到直流源电压为500伏。第二张图显示了buck变换器调制的直流电压。由于电压调制的结果,我们能够以不同的速度控制电机,我们在这里看到的。这里,测量的速度显示为橙色,成功地跟踪所需的速度显示为绿色。
我们讨论了使用这种结构的无刷直流电速度控制,其中PWM发电机与降压转换器一起使用,为三相逆变器提供调制的直流电压。让我们来看看第二个架构,看看PWM控制是如何在这个架构中实现的。我们注意到的第一件事是这个模型没有使用buck转换器。在第一个模型中,我们调制提供给三相逆变器的电压。但在这个模型中,我们直接调制相位电压。在这里,PWM被用在换向逻辑子系统下,我们将在下面仔细看看。
这是PWM发生器。根据我们在这里看到的这个逻辑,PWM发电机输出确保直流源电压脉冲开和关,以根据转子所在的扇区为正确的相位提供能量。要理解电压调制是如何进行的,最简单的方法是模拟这个模型并观察相电压。现在,我们运行这个模型,看看速度,扇区,相位a和相位c的电压。从速度图中可以看出,在这个区域内,速度是恒定的。让我们放大到这里,更好地看看当电机以恒定速度运行时,相位电压是如何变化的。根据这个逻辑,当转子在——假设在扇区1,这两个输入被选中。这种方法分别对a相和C相要求一个高信号和一个低信号。而这个输入正好相反,通过向a发送一个低信号,向c发送一个高信号,PWM发生器根据其占空比在这两种状态之间切换,因此我们在这里看到相a和相c电压是如何在+/-250伏之间脉冲打开和关闭的,这是+/-直流源电压/2。当相位电压被这样调制时,电机所看到的有效电压将被平均。
还记得在前面我们讨论了反电动势是如何在非换向相诱导的吗?在图中看到的反电动势电压给了我们关于电机看到的平均电压的线索。例如,当A相没有被换向时,这是A相反电动势电压,这告诉我们电机看到的A相电压大约在附近整个区域为25伏,而电机看到的c相电压约为-25伏。利用这个线索,我们可以简单地算出在其余的换向相中有效电压是多少。
总之,我们讨论了PWM的概念以及它如何被用来控制无刷直流电动机在不同的速度。我们还讨论了两种常见的PWM实现,并对这些模型进行了模拟,以更深入地了解PWM控制过程中的电压和速度特性。你也可以查看我们的其他系列视频,我们展示了如何建立我们在这些技术演讲视频中使用的模型。请找到下面的系列链接。
在接下来的Tech Talk视频中,我们将讨论永磁同步电机和磁场定向控制。要了解更多关于无刷直流电动机和永磁同步电机控制的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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