从系列:电机控制
这个视频讨论了PWM -脉宽调制和两种不同的架构来实现PWM控制来控制无刷直流电机的速度。
PWM是一个方波信号,它以一定的频率重复自身。每个PWM周期称为一个周期,在给定的周期内,PWM信号开启的时间百分比决定了占空比。通过PWM,我们可以将一个恒定的直流电压调整到不同的电压水平。这有助于我们以不同的速度控制马达。视频演示了PWM控制的两种常见结构。在第一种方法中,我们使用降压变换器和PWM发生器来降低直流电源电压到三相逆变器。在第二部分,我们讨论了一种不同的结构,其中三相电压直接使用PWM控制进行调制。
看看这个视频系列学习如何在这个技术谈话视频中建立模型。
本视频中使用的型号可在这GitHub库.
在这个视频中,我们将学习什么是PWM,或者脉冲宽度调制,以及它如何用来控制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,由控制器控制。但在现实中,我们的直流电压源提供一个固定的电压,我们需要使用一种叫做PWM或脉宽调制的技术来调制它,然后再将它提供给三相逆变器。
这是PWM信号的样子。它基本上是一个方波信号以特定的频率重复。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伏的电压。为了在不同的速度下控制电机,我们需要从0到100伏特的电压值。PWM的作用类似于一个开关,它取直流电压,并将其应用到电机上,通过一系列特定频率的通、关脉冲。每个PWM周期被称为一个周期,在一个给定的周期内,PWM信号开启的时间百分比就是占空比。例如,如果我们有50%的占空比,这意味着在每个周期中有一半时间信号是开的,另一半时间信号是关的。当我们用这个驱动一个电机时,电机看到的有效电压将是这个PWM信号的平均值,也就是50伏。我们可以把100伏的直流电压用50%占空比的脉冲开关来产生50伏的电压。
现在,如果你不断地改变占空比,你就可以连续地调节这个信号并创造出0到100伏特之间的不同值范围来控制你的电机以不同的速度运行。注意,占空比越长,得到的电压越高。现在我们知道PWM控制对电机所看到的输出电压有平均影响。为了得到正确的平均效果,我们应该小心选择PWM频率,它是按1/周期计算的。如果开关频率太低,电机看到的不是平均电压,而是一个试图遵循方波形状的电压。这将导致跟踪差的参考速度和电机将继续加速和减速。但是,当我们将PWM频率提高到一个合理的值时,电压将被平均出来,这将提高速度控制性能。注意,由于PWM的开关特性,会出现波纹。通常,控制无刷直流电机的PWM频率在几千赫兹的量级上,需要选择远高于电机时间常数的倒数。
现在我们已经从概念上讨论了PWM,我们将看看用于实现PWM的两种常见架构。这是第一个。在这个模型中,我们希望无刷直流电机跟踪从0到600转/分钟逐渐上升的所需速度。这个模型包含类似的块,我们在之前的视频中看到,除了这一部分,我们使用降压转换器实现PWM控制。buck变换器用来调节直流电源电压到不同的电压水平,以便能够在不同的速度下控制无刷直流电机。在这个仿真中,buck变换器的输入是由提供500伏电压的直流电压源块提供的。让我们看看这个子系统的内部,了解降压转换器是如何工作的。我们在这里看到的是一个PWM发生器,它产生1khz的方波信号。如果我们向上,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,并控制降压转换器的两个开关的通断持续时间。 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;一个在降压变换器的输入端,这是直流电源电压,另一个在降压变换器的输出端,给我们调制的直流电压,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。
在上图中,我们看到直流电源电压为500伏特。第二幅图展示了buck变换器调制的直流电压。作为电压调制的结果,我们能够以这里看到的不同速度控制电机。在这里,测量的速度显示为橙色,它成功地跟踪了用绿色显示的所需速度。
我们讨论了使用这种结构的无刷直流调速,其中PWM发生器与buck变换器一起提供调制的直流电压到三相逆变器。让我们来看看第二个架构,看看PWM控制是如何在这个架构中实现的。我们注意到的第一件事是这个模型没有使用降压转换器。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,我们直接调节相电压。在这里,PWM是在换相逻辑子系统下使用的,我们将在接下来进一步研究。
这是PWM发生器。根据我们在这里看到的这个逻辑,PWM发生器的输出确保直流源电压被脉冲接通和关闭,以激励正确的相位基于转子所在的扇区。要理解这里电压调制是如何进行的,最简单的方法是模拟这个模型并观察相电压。现在,我们运行模型,看看速度,扇区,a相和c相电压。从速度图中可以看出,在这个区域,速度是恒定的。所以,让我们放大到这里来更好地看看当电机以恒定速度运行时,相电压是如何变化的。根据这个逻辑,当转子,我们说在扇区,这两个输入被选择。这一个命令一个高和低信号的a和C相,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。当相位电压像这样被调制时,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交换阶段产生的。在图中看到的反电动势电压给了我们一个关于电机所看到的平均电压的线索。例如,当A相没有被换向时,这是A相反电动势电压,这告诉我们,电机看到的A相电压大约是整个区域的电压为25伏,而电机看到的c相电压约为-25伏。利用这个线索,我们可以简单地算出在剩余的换相期间的有效电压是多少。
综上所述,我们讨论了PWM的概念以及如何用它来控制变速的无刷直流电机。我们还讨论了两种常见的PWM实现方法,并对这些模型进行了仿真,以进一步了解PWM控制过程中的电压和速度特性。你也可以看看我们的其他视频系列,在那里我们展示了如何构建我们在这些技术演讲视频中使用的模型。请找到以下系列的链接。
在接下来的Tech Talk视频中,我们将讨论PMSM电机和磁场定向控制。想了解更多关于无刷直流和永磁同步电机控制的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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