电机控制,第2部分:无刷直流电动机控制
从系列中:电机控制
MathWorks的Melda Ulusoy
观看本视频学习如何设计电机控制算法来控制无刷直流电动机的速度。您将了解系统工作的不同组件,如换向逻辑和三相逆变器。我们还将讨论为什么在无刷直流电动机的速度和扭矩响应中观察到波纹,并让您直观地了解感应反激的概念。
查看本视频,了解如何使用Simscape electric建模三相逆变器
本视频中使用的模型可在这个GitHub仓库.
在这个视频中,我们将讨论需要什么样的控制算法来控制无刷直流电动机。我们将探讨这种控制算法的不同信号的行为,并讨论归纳反激的概念。
在前面的视频中,我们介绍了一种无刷直流电动机,定子有三个线圈,转子有一个单极对。我们还讨论了如何通过六步换向或梯形控制在无刷直流电动机中产生运动,其中正确的相位每60度换向以使电机连续旋转。
在这里,我们有一个直流电压源,为三相逆变器提供恒定电压,它将直流功率转换为三相电流,为不同的线圈对供电。当施加电压恒定时,由于电压与速度成正比关系,电机以恒定速度转动。但是如果我们想要以不同的速度控制电机,那么我们需要建立一个控制器来调整施加电压的大小。让我们首先构建这个控制器的图表。
这是我们的马达。要控制它,首先需要利用霍尔效应传感器等传感器测量它的角位置和速度。注意霍尔传感器不能提供转子在扇区内的精确位置的信息。但它可以检测转子何时从一个扇区过渡到另一个扇区。实际上,扇区信息是我们决定什么时候换向电机所需要知道的。但是我们仍然不知道三个相中的哪两个要对易。通过计算三相逆变器的开关模式的换向逻辑电路指定正确的相位。让我们来直观地看看这些块是如何相互作用的。在换向逻辑表中,字母A、B、C代表电机的三个相位;三相逆变器的高侧标记为H,低侧标记为l。为了了解逆变器的开关和无刷直流换向是如何根据换向逻辑工作的,让我们用之前的动画替换这部分。 If the rotor is within the first sector, the commutation logic selects this switching pattern, which dictates an on state for the high side switch of phase A and the low side switch of phase C. As the rotor transitions to other sectors, a switching pattern is selected accordingly and sent to the three-phase inverter.
我们让马达旋转,因为现在我们知道什么时候换向转子,以及在每次换向中给哪个相位充电。我们的下一个目标是让马达以不同的速度旋转。
目前,我们输入一个恒定的直流电压到逆变器,这导致恒定的速度,就像我们之前讨论的。我们可以用合适的控制器闭合回路来调节电压。根据期望速度和测量速度之间的差异,控制器将调整电压使电机速度接近期望值。这里注意换易逻辑也属于控制算法,在图中用浅蓝色表示。物理系统的所有组成部分用浅灰色显示。这样的电机控制算法可以在仿真环境中实现,如图所示。注意,这里我们假设我们正在以一种理想的方式改变电压来演示操作,但实际上我们需要使用PWM,我们将在下个视频中讨论。如果你想学习如何构建这个模型,不要忘记查看视频下面的链接。彩色框显示了控制算法的不同部分如何映射到Simulink模型中的子系统。万博1manbetx该模型记录速度、电压、电流和转矩等信号。 To explore these, let’s run the model and first look at the desired speed. As you see here, it ramps up from 100 to 500 rpm in 100-rpm increments. If we now look at the voltage, we see how it’s adjusted by the controller to make the motor rotate at the desired speed as seen on the measured speed.
我们立即注意到的一件事是速度信号中的波纹。这里我们有另一个图显示当转子之间的过渡扇区。把扇形图和速度图放在一起看,我们可以看到速度波纹与对易有关,因为波纹图案与每个对易周期的开始一致。记住在对易过程中发生了什么。其中一个阶段被拉高,而另一个阶段被拉低,第三个阶段是开放的。如果三相电流在换向过程中如图中所示发生了变化,那么我们就不会在速度中观察到任何波纹模式。但实际上,当我们驱动一个相时,电流不会立刻改变。观察三相电流,我们可以看到它们是如何随着时间上升的,这反过来又会导致速度的波动。速度不是唯一受影响的信号,但我们也观察到转矩响应的波动,因为电流和转矩是成比例相关的。扭矩响应中的波纹被认为是与无刷直流电动机梯形控制。
当我们研究三相电流时,你注意到什么了吗?当一个相从开相状态被拉高时,相电流在开始再次上升之前会发生突然的跳跃。与此同时,另一个跃迁发生在换相过程中被保持在低能级的相中。为了更好地理解带电阶段的瞬时变化背后的原因,让我们看一下这个动画。在换向过程中,随着相电流的增加,磁场在通电相上建立。在换向时,其中一个相,在这种情况下是相A,成为一个开路,因此在这个开路相上已建立的场崩溃。所以相电流降为零。
让我们倒回去看看在对易处相B和相C发生了什么。当有一个完全形成的电场的阶段C连接到阶段B时,C上已形成的电场几乎瞬间就会崩溃,而与此同时,阶段B也会建立一个电场来应对这种崩溃。由于B相中突然形成的电场,我们观察到B相电流的跳变。由于C相的坍缩,我们观察到电流突然下降,下降到其大小的一半,因为B和C的场在50%的场强处找到了平衡。由于相电流的这些瞬时变化,我们观察到三相电压的峰值。我们刚才描述的这种现象叫做感应反激。
让我们总结一下这集视频的内容。我们首先讨论了控制算法的不同元素,决定什么时候换向电机和换向期间给哪个相位充电。然后我们展示了如何通过控制器调节电压来控制电机的速度。在这里,我们假设一个理想的可控电压源,但在现实中我们需要一种方法,如PWM,将恒定的直流电压转换为交流电压。在下一个视频中,我们将更新我们的控制算法,以控制电机的速度使用PWM。想了解更多关于电机控制的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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