来自系列:电机控制
Methworks Melda Ulusoy
了解无刷直流电机(BLDC)的基础。BLDC电机提供刷牙直流电机的许多优点。它们具有高效率和低维护,并且常用于家电,机器人和汽车行业。
你会学到:
查看此视频以了解如何从头开始构建BLDC的型号,并使用Simscape Electract模拟其反EMF电压。
此视频中使用的模型可用这个github存储库。
在这个系列中,我们将谈谈无刷直流电机。该视频将涵盖基础知识以及这些电机如何工作和在下一个产品中,我们将更多地讨论电机控制。
日常设备到更复杂的机器所有都利用无刷直流电机将电能转换为旋转运动。无刷直流电机,也称为BLDC,优于刷子对应物。BLDCS提供更高的效率,需要降低维护,这就是为什么他们在过去几十年中更换了许多应用中的拉丝电机。
两种类型的电动机都基于类似的原理运行,其中旋转运动是通过永久和电磁体的磁极的吸引和排斥产生的。但是,这些电动机的控制方式非常不同。BLDC需要一个复杂的控制器将直流电源转换为三相电压,而拉丝电动机可以通过直流电压轻松控制。
在这里,我们将向您展示刷式直流电机的简单动画。通过通过线圈绕组通过DC电流,我们通过这些磁极产生电磁铁。然后这些极点与永磁体的极相互作用,使转子旋转。注意,在转子的每半转后,保持转子旋转,我们需要翻转电磁铁的极点,这通过切换线圈绕组中的电流的极性来完成。这种阶段的切换称为换向。在拉丝电机中,随着电动机旋转,刷子与转子的换向器接触的情况下,换向。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。
BLDCS通过用电子驱动换向来克服拉丝电机的缺点。为了更好地理解这一点,让我们来看看BLDC电机结构。
您可以将BLDC视为刷式电机的翻转版本,因为永磁磁铁现在成为转子,而线圈绕组成为定子。存在具有不同磁体布置的电动机,其中定子可以具有不同数量的绕组,并且转子可以具有多个磁极对。除了不同的配置之外,您还可能遇到类似的结构化电机,永磁同步机或PMSMS。
BLDCS和PMSMS被定义为具有转子中永磁体的同步电动机。它们的关键区分器是其反态电压的形状。当它们旋转时,电机充当发电机。这意味着在与电动机的驱动电压相对的定子中引起反EMF电压。通过查看其形状的电动机是电动机的重要特征,我们可以讲述我们拥有的类型的电机,它还决定了我们需要用于控制电机的控制算法的类型。BLDC具有梯形形状,通常由梯形控制控制。但PMSMS由面向现场控制的控制,因为它们表现出正弦波EMF。有时,PMSM和BLDC电动机在电机控制界中可互换使用,这可能会导致其反EMF型材的混淆。但在该视频系列中,我们将参考具有梯形电动势的电机作为BLDCS和具有正弦返回EMF的电机作为PMSMS。
观察反型emf形状的简单方法是使用仿真。我们可以使用开路端子模拟一个杆对BLDC。这意味着没有驱动线圈。但我们可以施加一些扭矩来旋转转子,使其类似于发电机,然后测量A相A的电压,这将向我们提供反电动势。如您所见,BLDC电机的反电动势具有梯形形状,包括电压保持平坦的区域。这告诉我们我们可以使用直流电压来控制该电机。
接下来,我们将讨论电动机的内部工作。为此,我们将使用一种简单的配置,其中转子仅由单极对组成,定子由3个距离为120度的线圈组成。线圈可以通过将电流传递到电流,我们将其称为阶段A,B和C。转子的北极以红色显示,而蓝色代表南极。
目前,线圈没有通电,转子是静止的。施加两相,A和C沿着虚线产生组合磁场。结果,转子现在开始旋转以使定子磁场对齐,如此动画所示。
有六种可能的线圈对的方法。通过一次换乘两个阶段,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子转动并最终在动画中所示的位置处。相对于水平轴测量转子角度,并且有六个不同的转子对准,每个转子对准彼此间隔60度。这意味着,如果我们可以每60度换乘到正确的阶段,我们可以使电机旋转。这称为六步换向或梯形控制。注意,通过更多的杆对,换向更频繁地发生。要正确地向电动机正常换向,我们需要了解转子位置,通常通过使用霍尔传感器来测量。
让我们讨论两极如何相互作用。在这里,箭头表示相对磁力,箭头厚度表示场强。同一种类的这两个极点相互排斥,使转子逆时针转动。同时,相反的杆相互吸引,转子沿着相同的方向不断转动。一旦完成60度的旋转度,就会发生下一次换向。我们还向我们展示我们之前在动画上讨论的定子磁场。如您所见,换向的方式发生以使转子永远不会与定子磁场对齐,而是总是在追逐它。
以下是可以解释这种行为的两个事实。首先,当转子和定子磁场对齐时,电机产生零扭矩。所以我们永远不会让他们对齐。其次,当字段彼此处于90度时,会发生最大扭矩。因此,目标是将此角度达到90度。但是,在BLDC电机中,我们从未达到90度,六步换向,但角度在某种程度上波动。这是由于梯形控制的简单性质。但是,如前所述,通常用于控制PMSM的更先进的技术,常用于我们之前讨论的,允许通过在定子和转子磁场之间实现90度来产生更大的扭矩。
为了控制六步换向的阶段,使用三相逆变器将直流功率转换为三个相电流,这些相电流在带有红色和蓝色的动画上显示。为了向其中一个阶段提供正电流,需要打开在高侧的该阶段的开关。对于负电流,低侧开关需要打开。恒定电压通过三相逆变器转换,以使电动机保持恒定的速度。但是,要以不同的速度控制电动机,我们需要能够调整施加的电压。一种方法是使用PWM。但是,我们将在下一个视频中更详细地讨论这一点。有关BLDC电动机的更多信息,请不要忘记查看此视频下面的链接。
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