电机控制,第3部分:使用PWM的无刷直流调速
从系列中:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
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BLDC电机的速度。
PWM是一种方波信号,它以一定的频率自我重复。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。使用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控制的两种常见架构。在第一种方法中,我们使用降压转换器和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。
看看这个系列视频学习如何构建本技术讲座视频中使用的模型。
本视频中使用的模型可在这个GitHub存储库.
在本视频中,我们将学习什么是PWM,或脉宽调制,以及它如何用于控制BLDC电机的速度。之前,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BLDC电机的不同速度。在这个模拟中,我们使用了一个理想的电压源,它可以让我们产生不同的直流电压水平,由控制器命令。但实际上,我们的直流电压源提供了一个固定的电压,在提供给三相逆变器之前,我们需要使用称为PWM或脉宽调制的技术进行调制。
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或100伏。为了在不同速度下控制电机,我们需要从0到100伏的电压值。PWM的作用就像一个开关,它获取直流电压,并以一定频率将一系列开关脉冲应用到电机上。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给出了占空比。例如,如果占空比为50%,这意味着在每个周期中,信号有一半时间是开的,另一半时间是关的。当我们用这个驱动电机时,电机看到的有效电压将是这个PWM信号的平均值,也就是50伏。我们能够获得100伏的直流电压,并以50%的占空比脉冲开关,以产生50伏。
现在,如果你不断改变占空比,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,以不同的速度控制你的电机。注意,占空比越长,我们得到的电压就越高。现在我们知道PWM控制对电机看到的输出电压有平均效应。为了获得正确的平均效果,我们在选择PWM频率时应该小心,PWM频率是按1/周期计算的。如果开关频率过低,电机看到的不是平均电压,而是试图遵循方波形状的电压。这将导致参考速度的跟踪不良,电机将不断加速和减速。但是,当我们将PWM频率提高到某个合理值时,电压将被平均掉,这将提高调速性能。请注意,由于PWM的开关特性,波纹将会发生。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,从0逐渐上升到600 RPM。这个模型由类似的块组成,我们在以前的视频中看到,除了这一部分,我们通过使用buck转换器实现PWM控制。降压变换器用于调整直流源电压到不同的电压水平,以便能够控制BLDC电机在不同的速度。在这个模拟中,buck变换器的输入是由这个直流电压源块提供的,它提供500伏。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,产生1千赫的方波信号。如果我们向上,我们看到PWM发生器的输入是占空比,这是由控制器决定的。由PWM发生器产生的信号在0和1之间波动,并控制buck变换器的两个开关的开和关的持续时间。 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,它是直流源电压,第二个在降压变换器的输出端,它提供给我们调制的直流电压,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的速度。
在上图中,我们看到直流电源电压为500伏。第二个是buck变换器调制的直流电压。由于电压调制的结果,我们能够控制电机在不同的速度,我们在这里看到。在这里,测量的速度显示为橙色,它成功地跟踪了绿色所示的期望速度。
我们讨论了使用这种结构的无刷直流电速度控制,其中使用PWM发电机和降压转换器为三相逆变器提供调制直流电压。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,我们正在调制提供给三相逆变器的电压。但是在这个模型中,我们直接调节相电压。这里,PWM是在换相逻辑子系统下使用的,我们将在下面仔细研究。
这是PWM发生器。根据我们在这里看到的这个逻辑,PWM发生器输出确保直流电源电压脉冲开和关,以根据转子所在的扇区为正确的相位供电。要了解电压调制在这里是如何进行的,最简单的方法是模拟这个模型并观察相电压。现在,我们将运行模型,并查看速度,扇区,a相和c相电压。从速度图中可以看出,在这个区域内,速度是恒定的。所以,让我们放大到这里,更好地看到相位电压如何变化,因为电机是在一个恒定的速度运行。根据这个逻辑,当转子在第一扇区时,这两个输入被选中。它分别为a相和C相命令一个高信号和一个低信号。这个输入完全相反,通过发送一个低信号到a和一个高信号到c。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a相和c相电压在+/-250伏之间脉冲开和关,这是+/-直流电源电压/2。当相位电压这样调制时,电机看到的有效电压将被平均。
记得在前面我们讨论过反电动势是如何在非换向相诱导的。在图中看到的反电动势电压给了我们一个关于电机所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,它告诉我们,电机看到的A相电压将在大约整个区域的电压为25伏,而电机看到的c相电压将在-25伏左右。利用这个线索,我们可以简单地计算出在其余换向相中有效电压是多少。
总之,我们讨论了PWM的概念以及它是如何在不同速度下控制无刷直流电机的。我们还讨论了两种常见的PWM实现,并模拟了这些模型,以进一步了解PWM控制期间的电压和速度特性。你也可以看看我们的其他视频系列,在那里我们展示了如何构建我们在这些技术演讲视频中使用的模型。请在下面找到该系列的链接。
在接下来的技术讲座视频中,我们将讨论PMSM电机和面向磁场的控制。有关BLDC和PMSM电机控制的更多信息,不要忘记查看这个视频下面的链接。
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