从系列中:电机控制
梅尔达·乌卢索伊,马修斯
观看这个视频了解如何设计电机控制算法来控制无刷直流电机的速度。您将了解系统的不同组成部分是如何工作的,例如换向逻辑和三相逆变器。我们还将讨论为什么我们观察到无刷直流电机的速度和扭矩响应的波纹,并让你直观地了解感应反激的概念。
查看此视频,了解如何使用Simscape Electrical为三相逆变器建模
本视频中使用的型号在中提供这是GitHub存储库.
在本视频中,我们将讨论控制无刷直流电机所需的控制算法。我们将探讨这种控制算法的不同信号的行为,并讨论感应反激的概念。
在上一个视频中,我们介绍了一种无刷直流电机,该电机在定子中有三个线圈绕组,在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,其中每60度换向一次正确的相位,以使电机连续旋转。
这里,我们有一个直流电压源,它为三相逆变器提供恒定电压,将直流电源转换为三相电流,为不同的线圈对供电。当施加的电压恒定时,由于电压和速度之间的比例关系,电机以恒定速度转动。但是如果我们想控制不同速度的电机,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表。
这是我们的马达。为了控制它,我们首先需要使用霍尔效应传感器等传感器测量它的角位置和速度。请注意,霍尔传感器不提供转子在扇区内精确位置的信息。但它允许检测转子何时从一个扇区过渡到另一个扇区。事实上,我们只需要知道扇区信息就可以确定电机何时换向器。但我们仍然不知道三个相位中的哪两个需要换位。正确的相位由计算三相逆变器开关模式的换向逻辑电路指定。我们还可以直观地看到这些块是如何相互作用的。在换向逻辑表中,字母A、B和C代表电机的三相;三相逆变器的高压侧标记为H,低压侧标记为L。要了解逆变器开关和BLDC换流如何基于换流逻辑工作,让我们用之前的动画替换此部分。如果转子位于第一扇区内,则换向逻辑选择该开关模式,该模式指示A相高压侧开关和C相低压侧开关的接通状态。当转子过渡到其他扇区时,相应地选择开关模式并发送至三相逆变器。
我们让电机旋转,因为现在我们知道什么时候换相转子,以及在每次换相过程中哪些相需要通电。我们的下一个目标是让马达以不同的速度旋转。
目前,我们输入一个恒定的直流电压到逆变器,这导致恒定的速度,正如我们之前讨论的。我们可以用合适的控制器闭合回路来调节电压。根据所要求的转速和被测转速之间的差异,控制器将调整电压,使电机转速接近所要求的值。这里需要注意的是,换向逻辑也属于控制算法,在图中显示为浅蓝色。物理系统的所有组成部分都用浅灰色表示。这样的电机控制算法可以在这里看到的仿真环境中实现。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。如果你想学习如何构建这个模型,不要忘记查看视频下面的链接。彩色框显示了控制算法的不同部分是如何映射到Simulink模型中的子系统的。金宝app该模型记录诸如速度、电压、电流和扭矩等信号。 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涟漪。这里我们有另一个图,显示转子在扇区之间转换的时间。将扇形图和速度图放在一起观察,我们发现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对齐。记住在减刑期间发生的事情。其中一个相位拉高,另一个相位拉低,第三个相位打开。如果在换相过程中三相电流如图中所示发生变化,那么我们就不会观察到速度的任何波动模式。但实际上,当我们驱动一个相位时,电流并不会瞬间改变。观察三相电流,我们可以看到它们是如何随时间上升的,而这反过来又会导致速度波动。速度不是唯一受影响的信号,但我们也观察到转矩响应的波动,电流和转矩成比例相关。扭矩响应中的波纹被认为是无刷直流电动机的梯形控制。
当我们看到三相电流时,你注意到什么了吗?当相位从断相状态拉高时,在相位电流再次开始上升之前,相位电流会突然跳变。同时,在换相过程中保持较低的相位中会发生另一个跃变。为了更好地理解通电阶段这些瞬时变化背后的原因,让我们看一下这个动画。在换相过程中,随着相电流的增加,磁场在通电相上形成。换相时,其中一个相位(在本例中为相位A)变为开路,因此该开路相位上建立的磁场崩溃。所以相位电流降到零。
让我们倒带一下,看看在换向时,相位B和C会发生什么。当具有完全建立的场的阶段C连接到阶段B时,几乎在瞬间C上建立的场崩溃,同时阶段B建立场以响应崩溃。由于B相突然形成磁场,我们观察到B相电流出现跳跃。由于C相的崩塌,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处的磁场在50%场强下达到平衡。由于相位电流的这些瞬时变化,我们观察到三相电压出现尖峰。我们刚才描述的这种现象叫做感应反激。
让我们总结一下在这个视频中看到的内容。我们首先讨论了控制算法的不同元素,决定何时换向电机和换向期间的激励阶段。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来转换恒定的直流电压到交流电压。在下一个视频中,我们将更新我们的控制算法,使用PWM控制电机速度。要了解更多关于电机控制的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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