电机控制,第1部分:无刷直流电动机介绍
从系列中:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
学习无刷直流电动机(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,已广泛应用于家用电器、机器人和汽车行业。
你将学习:
- bldc的内部工作原理
- 如何在Simulink中模拟BLDC®使用Simscape Electrical™并研究其反emf电压的形状
- 如何使用六步换向控制无刷直流电动机(梯形控制)
- bldc和永磁同步电机(PMSMs)通常分别是如何通过梯形和磁场定向控制来控制的
查看此视频,学习如何从头开始构建BLDC模型,并使用Simscape Electrical模拟其反emf电压。
本视频中使用的模型可在这个GitHub存储库.
在这个系列中,我们将讨论无刷直流电机。本视频将介绍基本知识以及这些电机是如何工作的,在接下来的视频中,我们将更多地讨论电机控制。
从日常设备到更复杂的机器都使用无刷直流电动机,将电能转换为旋转运动。无刷直流电动机,也被称为bldc,提供了许多优点,超过他们的有刷对手。bldc提供更高的效率,需要更低的维护,这就是为什么在过去几十年里,它们在许多应用中取代了有刷电机。
这两种类型的电机的工作原理相似,其中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由直流电压控制。
在这里,我们将向您展示一个简单的有刷直流电动机动画。通过直流电流通过线圈绕组,我们产生一个电磁铁与这些极点。然后这些极与永磁体的极相互作用,使转子旋转。请注意,转子每转半圈后,为了保持转子旋转,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。这种相位的转换称为换向。在有刷电机中,换向机械地发生,当电机旋转时,电刷与转子的换向器接触。由于这种物理接触,电刷随着时间的推移而磨损,影响电机性能。
bldc通过用电子驱动换向取代机械换向,克服了有刷电机的缺点。为了更好地理解这一点,让我们看看无刷直流电机的结构。
你可以把无刷直流电动机想象成一个翻转版的有刷电机,因为永磁体现在变成了转子,而线圈绕组变成了定子。有不同磁铁排列的电机,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pmsm。
bldc和pmsm被定义为转子中带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。这意味着在定子中诱导反电势电压,这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,它还规定了我们需要使用的控制算法的类型来控制电机。bldc具有梯形形状,通常采用梯形控制。但是永磁同步电机是由场向控制控制的,因为它们表现出正弦反电动势。有时,PMSM和BLDC电机在电机控制社区中互换使用,这可能会导致对其反emf配置文件的混淆。世界杯预选赛小组名单但在这个视频系列中,我们将提及电机与梯形反电动势作为bldc和电机与正弦反电动势作为永磁同步电动机。
观察反电动势形状的一种简单方法是使用模拟。我们可以用开路端子模拟单极对无刷直流电动机。这意味着没有线圈被驱动。但是我们可以施加一些扭矩来旋转转子,这样它就像发电机一样,然后测量a相的电压,这就会得到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具有梯形形状,其中包括电压保持平坦的区域。这告诉我们可以用直流电压控制电机。
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,定子由三个线圈组成,间隔120度。线圈可以通过电流通过它们来充电,我们将其称为a, B和c阶段。转子的北极显示为红色,而蓝色表示南极。
目前,没有线圈通电,转子是静止的。在两个相之间施加电压,A和C沿虚线产生一个组合磁场。因此,转子现在开始旋转,使其与定子磁场对齐,如图所示。
有六种可能的方式来激励线圈对。通过一次换相两个相位,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。转子角度测量相对于水平轴,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度换相正确的相位,我们就能让马达旋转。这被称为六步换向,或梯形控制。注意,极性对越多,换向发生得越频繁。为了在正确的时间用正确的相位正确地换向电机,我们需要知道转子的位置,这通常是通过霍尔传感器测量的。
我们来讨论一下两极之间是如何相互作用的。在这里,箭头表示相对磁力,箭头厚度表示磁场强度。这两个同类的极点相互排斥,使转子逆时针转动。与此同时,相反的两极相互吸引,转子继续朝着同一方向转动。一旦它完成了60度的旋转,下一次换向就发生了。我们再来看看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,转子从不与定子磁场对齐,而是总是追逐它。
这里有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,电机产生零转矩。所以我们从不让它们对齐。其次,当磁场相互成90度时,扭矩最大。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,六步换向时,我们从未达到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,如场定向控制,通常用于控制我们之前讨论的永磁同步电动机,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。
为了控制六步换相的相位,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,连接到高侧的该相的开关需要打开。对于负电流,低侧开关需要打开。三相逆变器转换恒定电压,使电机保持恒定速度。但是要以不同的速度控制电机,我们需要能够调整施加的电压。其中一种方法是使用PWM。但我们会在下个视频中更详细地讨论这个。有关无刷直流电动机的更多信息,不要忘记查看这个视频下面的链接。
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