从系列:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
这个视频讨论了PWM -脉宽调制和两种不同的架构来实现PWM控制的速度控制无刷直流电机。
PWM是一个方波信号,重复自己在一定的频率。每个PWM周期称为一个周期,并且在给定的周期内,PWM信号打开的时间百分比决定了占空比。有了PWM,我们能够调整一个恒定的直流电压到不同的电压水平。这有助于我们控制马达在不同的速度。视频演示了PWM控制的两种常见架构。在第一种方法中,我们使用一个降压变换器和一个PWM发生器来降压直流源电压到三相逆变器。在第二,我们讨论一种不同的架构,三相电压被调制直接使用PWM控制。
看看这个视频系列学习如何建立在这个技术谈话视频中使用的模型。
本视频中使用的模型在这GitHub库。
在这个视频中,我们将学习什么是PWM,或者脉宽调制以及它是如何用来控制一个无刷直流电机的速度。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无刷直流电机的变速。在这个仿真中,我们使用了一个理想的电压源,让我们产生不同的直流电压水平控制。但在现实中,直流电压源,我们有提供一个固定的电压,我们需要调制使用一种技术称为PWM或脉宽调制,然后提供给三相逆变器。
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,我们需要从0到100伏的电压值。PWM就像一个开关,采取直流电压,并应用它到电机与一系列的开和关闭脉冲在一定的频率。每个PWM周期称为一个周期,在给定的周期内,PWM信号打开的时间的百分比给我们占空比。例如,如果我们有责任周期的50%,这意味着在每一个时期的一半时间信号和另一半。当我们驾驶汽车,有效的电压被电机PWM信号的平均值,也就是50伏特。我们可以取100伏的直流电压,然后在50%占空比的情况下对其进行脉冲开关,以产生50伏的电压。
现在,如果你不断改变占空比,你可以不断地调节这个信号并创造出从0到100伏特的整个范围的不同值来控制你的马达以不同的速度运行。注意,占空比越长,我们得到的电压就越高。现在我们知道PWM控制有一个平均效应的输出电压,这是看到的马达。为了得到正确的平均效果,我们应该小心选择PWM频率,它是计算1/周期。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。这将导致糟糕的跟踪参考速度和电机将继续加速和减速。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,从而提高调速性能。注意,波纹将发生由于PWM的开关性质。典型的,PWM频率来控制无刷直流电机是在数量级上,需要被选择比电机时间常数的倒数高得多。
既然我们已经讨论了PWM的概念,我们将看两个常用的架构用于实现PWM。这是第一个。在这个模型中,我们希望无刷直流跟踪所需的速度,逐步上升从0到600 RPM。这个模型由类似的块,我们看到在前面的视频除了这部分,我们实现PWM控制使用降压转换器。降压变换器用于调整直流源电压到不同的电压水平,从而能够控制无刷直流电机在不同的速度。在这个模拟中,降压转换器的输入是由这个提供500伏的直流电压源块提供的。让我们深入了解这个子系统,以了解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,在1khz产生一个方波信号。如果我们上升,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关时间。 Depending on this duration, we observe a different amount of voltage drop at the output of the buck converter.
这里,我们测量两个电压;一个在buck变换器的输入端,也就是直流源电压,另一个在buck变换器的输出端,得到调制后的直流电压,然后提供给三相逆变器。现在,我们运行这个模型,看看这两个电压以及参考和测量的速度。
在上面的图中,我们看到直流电源电压是500伏特。第二幅图展示了用buck变换器调制的直流电压。由于电压调制,我们能够控制马达以不同的速度,我们在这里看到。在这里,测量的速度显示为橙色,成功地跟踪所需的速度显示为绿色。
我们讨论了无刷直流电动机的速度控制使用这种架构,其中一个PWM发电机是使用与一个buck变换器提供一个调制直流电压到三相逆变器。让我们看看第二架构,看看PWM控制是如何实现在这一个。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。这里,PWM是在换相逻辑子系统下使用的,我们将进一步看下。
这是PWM发生器。根据这个逻辑,我们看到这里,PWM发电机输出,确保直流源电压脉冲上和关闭,以激励正确的相位,基于扇形转子是在。理解电压调制在这里是如何被执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,看看速度,扇区,相位a和相位c电压。正如在速度图中看到的,在这个区域中速度是恒定的。所以,让我们放大到这里,更好地看看如何变化的相位电压,因为马达是在一个恒定的速度运行。根据这个逻辑,当转子在我们说在扇区,这两个输入被选择。这一个命令高信号和低信号的a和C相位,分别。这个输入并完全相反通过发送一个低信号和高信号c。这两个国家之间的PWM发生器开关根据其责任周期,因此这里我们看到阶段a和c阶段电压脉冲开关+ / + / -250伏之间直流电压源/ 2。当相位电压像这样调制时,电机看到的有效电压将被平均。
记得在前面我们讨论了反电动势是如何在非换向阶段诱导。在图中看到的反电动势电压给我们一个关于电机所看到的平均电压的线索。例如,当相位A不换向时这是相位A反电动势电压它告诉我们,马达看到的相位A电压大约在附近整个区域的电压为25伏特,而电机看到的相c电压将在-25伏特左右。利用这条线索,我们可以简单地算出在剩下的换向相中有效电压是多少。
总之,我们讨论了PWM的概念和如何使用它来控制无刷直流电机在不同的速度。我们也谈论了PWM的两种常见的实现和模拟这些模型来更仔细地看电压和速度特性在PWM控制期间。你也可以查看我们的其他视频系列,在那里我们展示了如何建立我们在这些技术谈话视频中使用的模型。请在下面找到这个系列的链接。
在下一个技术视频中,我们将讨论永磁同步电动机和磁场定向控制。要了解更多关于无刷直流电机和永磁同步电动机控制的信息,不要忘记查看这个视频下面的链接。
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