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
Melda Ulusoy, MathWorks
观看此视频,了解如何设计电机控制算法来控制BLDC电机的速度。您将了解系统的不同组件如何工作,如换向逻辑和三相逆变器。我们还将讨论为什么我们在BLDC电机的速度和扭矩响应中观察波纹,并让您直观地了解感应反激的概念。
查看此视频,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存储库.
在本视频中,我们将讨论什么样的控制算法需要控制无刷直流电机。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。
在之前的视频中,我们介绍了一个无刷直流电动机,定子中有三个线圈绕组,转子中有一个单极对。我们还讨论了如何通过六步换向或梯形控制在BLDC电机中产生运动,其中正确的相位每60度换向电机的连续旋转。
在这里,我们有一个直流电压源,为三相逆变器提供恒定的电压,它将直流电源转换为三相电流,以激励不同的线圈对。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。
这是马达。为了控制它,我们首先需要使用霍尔效应传感器等传感器来测量它的角位置和速度。请注意,霍尔传感器不能提供转子在扇区内精确位置的信息。相反,它允许检测转子何时从一个扇区转换到另一个扇区。实际上,扇区信息是我们所需要知道的来决定何时换向电机。但是我们仍然不知道三个相中的哪两个相对易。正确的相位由计算三相逆变器开关模式的换相逻辑电路指定。让我们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分别代表电机的三相;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电换相是如何根据换相逻辑工作的,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.
我们让电机旋转,因为现在我们知道什么时候换向转子,以及在每次换向过程中哪个阶段要充电。我们的下一个目标是让马达以不同的速度旋转。
目前,我们向逆变器输入恒定的直流电压,这导致恒定的速度,正如我们之前讨论的那样。我们可以用合适的控制器闭合回路来调节电压。基于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。这里请注意,换相逻辑也属于控制算法,如图中浅蓝色所示。物理系统的所有组件都用浅灰色显示。这样的电机控制算法可以在仿真环境中实现,如图所示。请注意,这里我们假设我们以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,我们将在下一个视频中讨论。如果你想学习如何建立这个模型,不要忘记查看视频下面的链接。彩色方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。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转子之间的过渡扇区。将扇形图和速度图放在一起观察,可以看出速度波动与换向有关,因为波动模式与每个换向周期的开始相一致。记住在对易过程中发生了什么。其中一个阶段被拉高,另一个被拉低,第三个阶段是开放的。如果三相电流在换向过程中发生了变化,那么我们就不会在速度上观察到任何波动模式。但实际上,当我们驱动一个相位时,电流不会瞬间改变。观察三相电流,我们可以看到它们是如何随着时间的推移而上升的,这反过来又导致了速度的波动。速度并不是唯一受影响的信号,但我们也观察到转矩响应中的波动,因为电流和转矩是成比例相关的。在扭矩响应的波纹被认为是一个缺点与无刷直流电动机梯形控制。
当我们看三相电流的时候,有没有什么吸引你的注意?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突然发生跳跃。与此同时,另一个跃迁发生在换相期间一直保持在低位的相位中。为了更好地理解这些通电阶段瞬时变化背后的原因,让我们看看这个动画。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,这些相中的一个,在这种情况下是相A,成为一个开路,因此在这个开路相上建立的场崩溃。所以相电流下降到零。
让我们倒回去看看相B和相C在换易处发生了什么。当相C有一个完全建立的场,连接到相B时,几乎在瞬间,C上建立的场崩溃了,而同时,相B建立了一个场来响应崩溃。由于B相中突然形成的电场,我们观察到B相电流的跳跃。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处的场在50%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尖峰。我们刚才描述的这种现象叫做感应反激。
让我们总结一下这个视频中所讲的内容。我们首先讨论了控制算法的不同元素,这些元素决定何时换向电机,以及在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,我们假设了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来控制电机的速度使用PWM。要了解更多关于电机控制的信息,不要忘记查看这个视频下面的链接。
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