从系列中:电机控制
MathWorks的Melda Ulusoy
学习无刷直流电机(bldc)的基本原理。无刷直流电动机比有刷直流电动机有许多优点。它们具有高效率和低维护成本,已广泛应用于家用电器、机器人和汽车行业。
你将学习:
查看本视频,了解如何从零开始建立无刷直流电动机模型,并使用Simscape electric模拟其反电动势电压。
本视频中使用的模型可在这个GitHub仓库.
在这个系列中,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如何工作,在接下来的,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机,将电能转换为旋转运动。无刷直流电动机,也被称为bldc,提供了许多优势,超过他们的有刷的同行。bldc提供更高的效率和更低的维护费用,这就是为什么在过去几十年里,它们在许多应用中取代了刷电机。
这两种电机的工作原理相似,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。bldc需要一个复杂的控制器来将直流电源转换为三相电压,而有刷电机可以很容易地通过直流电压控制。
在这里,我们将向您展示一个简单的动画刷直流电机。通过直流电流通过线圈绕组,我们用这些极产生一个电磁铁。这些磁极与永磁体的磁极相互作用,使转子旋转。注意,每半转转子后,保持转子旋转,我们需要翻转电磁铁的极点,这是通过切换线圈绕组中电流的极性来完成的。这种相位的转换叫做换相。在有刷电机中,换向发生在电机旋转时,电刷与转子换向器接触处。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。
无刷直流电机克服了刷电机的缺点,用电子驱动换向取代了机械换向。为了更好地理解这一点,让我们看看无刷直流电动机的结构。
你可以把无刷直流电动机想象成刷电机的翻转版,因为永磁体变成了转子,而线圈变成了定子。有些电机具有不同的磁铁配置,其中定子可能有不同数量的绕组,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。马达转动时起发电机的作用。这意味着在定子中感应到反电动势电压,它与电机的驱动电压相反。反电动势是电机的一个重要特征,因为通过观察它的形状,我们可以知道我们有什么类型的电机,它也规定了我们需要使用的控制算法的类型来控制我们的电机。无刷直流电机具有梯形形状,一般采用梯形控制。但永磁同步电机是由场向控制,因为他们显示正弦反电动势。有时永磁同步电机和无刷直流电动机在电机控制社区中互换使用,这可能导致对它们的反电动势配置的混淆。但是在这个系列视频中,我们将把具有梯形反电动势的电机称为无刷电机,将具有正弦反电动势的电机称为永磁同步电机。
观察反emf形状的一种简单方法是使用模拟。我们可以模拟具有开路端子的单极对无刷直流电机。这意味着没有线圈被驱动。但是我们可以施加一些力矩来转动转子使它像发电机一样工作然后测量a相的电压,就会得到a相的反电动势。正如你在这个范围上看到的,无刷直流电动机的反电动势有一个梯形形状,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控制这个电机。
接下来,我们将讨论电机的内部工作原理。为此,我们将使用一个简单的配置,其中转子只包括一个单极对,定子包括三个线圈,间隔120度。线圈可以通过电流通过,我们将称之为a、B和c相位。转子的北极用红色表示,而蓝色表示南极。
目前,没有线圈通电,转子是静止的。在两相之间施加电压,A和C沿虚线产生一个联合磁场。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。通过一次换向两个相位,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子旋转,并最终在动画中显示的位置结束。转子角度是测量相对于水平轴和有六个不同的转子对齐,每个60度彼此分开。这意味着,如果我们能每60度换一次正确的相位,我们就能让马达旋转。这被称为六步换易,或梯形控制。注意,极对越多,对易发生的频率越高。为了在正确的时间和正确的相位正确地换向电机,我们需要知道转子的位置,这通常是用霍尔传感器测量。
让我们讨论一下两极是如何相互作用的。这里,箭头表示相对磁力,箭头厚度表示磁场强度。这两个相同的极点互相排斥,使转子逆时针转动。与此同时,相反的极点相互吸引,转子继续向同一个方向转动。一旦它完成了60度的旋转,下一个换向就发生了。让我们来看看我们之前在动画中讨论过的定子磁场。正如你所看到的,换向以这样一种方式发生,转子永远不会与定子磁场对齐,而是总是追逐它。
以下两个事实可以解释这种行为。首先,当转子和定子磁场完美对齐时,电机产生零扭矩。所以我们从不让它们对齐。第二,当磁场相互成90度时产生最大扭矩。我们的目标是让这个角接近90度。然而,在无刷直流电动机中,六步换向无法达到90度,但角度在一定范围内波动。这是由于梯形控制的简单性质。但更先进的技术,如我们前面讨论的面向场控制,通常用于控制永磁同步电机,允许通过实现定子和转子磁场之间的90度来产生更大的转矩。
为了控制六步换向的相位,使用三相逆变器将直流电源转换为三相电流,如动画中红色和蓝色所示。为了给其中一个相提供正电流,连接到该相高侧的开关需要打开。对于负电流,低侧开关需要打开。一个恒定电压被三相逆变器转换,以保持电机在一个恒定的速度。但是要在不同的速度下控制电机,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这个。想了解更多关于无刷直流电动机的信息,不要忘记查看这个视频下面的链接。
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