电动机控制,第1部分:无刷直流电动机简介
来自该系列:电机控制
梅尔达·乌洛索(Melda Ulusoy),数学
了解无刷直流电动机(BLDC)的基本面。BLDC电动机提供了比拉丝直流电动机的许多优势。它们的效率很高,维护率低,并且通常用于家用电器,机器人技术和汽车行业。
您将学习:
- BLDCS的内部工作
- How you can simulate a BLDC in Simulink®使用SIMSCAPE Electrical™并研究其后EMF电压的形状
- BLDC如何使用六步换向(梯形控制)如何控制BLDC
- BLDC和永久磁铁同步机(PMSM)通常分别由梯形和面向场的控制控制
观看此视频,以了解如何从头开始构建BLDC的模型,并使用SIMSCAPE电气模拟其背面EMF电压。
此视频中使用的模型可在这个GitHub存储库。
在本系列中,我们将讨论无刷直流电动机。该视频将涵盖基础知识以及这些电动机的工作原理以及下一个视频,我们将讨论有关电动机控制的更多信息。
日常设备到更复杂的机器都使用无刷直流电动机,这些电动机将电能转换为旋转运动。无刷直流电动机(也称为BLDCS)提供了与拉丝对应物相比的许多优势。BLDC提供了更高的效率,需要较低的维护,这就是为什么在过去几十年中许多应用程序中取代拉丝电机的原因。
Both types of motors operate based on a similar principle, in which the rotational motion is generated through the attraction and repulsion of magnetic poles of permanent and electromagnets. However, the way these motors are controlled is very different. BLDCs require a complex controller to convert DC power to three-phase voltages, whereas a brushed motor can be easily controlled by a DC voltage.
在这里,我们将向您展示一个简单的动画DC电机。通过将直流电流通过线圈绕组,我们与这些极线产生了电磁体。然后,这些极点与永久磁体的极线相互作用,并使转子旋转。请注意,在转子的每半转弯后,要保持转子旋转,我们需要翻转电磁体的极点,这是通过切换线圈绕组中电流的极性来完成的。这种阶段的转换称为换向。在拉丝电动机中,在电动机旋转时,刷子与转子的换向器接触,从机械上发生换向。由于这种身体接触,刷子会随着时间的流逝而磨损,从而影响运动性能。
BLDC通过用电子驱动的换向替换机械换向,克服了拉丝电机的缺点。为了更好地理解这一点,让我们看一下BLDC电机结构。
您可以将BLDC几乎视为拉丝电动机的翻转版本,因为永久磁铁现在变成了转子,而线圈绕组成为定子。有一些带有不同磁铁布置的电动机,其中定子可能具有不同数量的绕组,并且转子可能具有多对杆对。除了不同的配置外,您还可能会遇到类似的结构化电动机,永久磁铁同步机或PMSM。
BLDC和PMSM定义为带有永久磁铁的同步电动机。他们的主要区别是它们的后EMF电压的形状。电动机旋转时充当发电机。这意味着在指定中诱导了后EMF电压,这反对电动机的驾驶电压。通过看电动机的形状,反到EMF是电动机的重要特征,我们可以分辨出我们拥有的电动机类型,并且还决定了我们需要使用的控制算法的类型来控制电动机。BLDC具有梯形形状,通常由梯形控制控制。但是PMSM由面向场的控制控制,因为它们表现出正弦的后EMF。有时,PMSM和BLDC电动机会在电动机控制社区中互换使用,这可能会引起其后EMF配置文件的困惑。但是在这个视频系列中,我们将带有梯形背面EMF的电动机称为BLDCS和带有正弦反向EMF的电动机,为PMSM。
观察背面形状的一种简单方法是使用模拟。我们可以模拟具有开路端子的一根杆位BLDC。这意味着任何线圈都没有驱动。但是我们可以施加一些扭矩来旋转转子,使其像发电机一样起作用,然后测量A阶段的电压,这将使我们相位A后EMF。正如您在此范围上看到的那样,BLDC电动机的后EMF具有梯形形状,其中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控制该电动机。
Next, we’ll talk about the inner workings of the motor. For that we’ll use a simple configuration where the rotor only consists of a single pole pair and the stator consists of three coils spaced at 120 degrees. Coils can be energized by passing a current through them, which we’ll refer to as phases A, B, and C. The north pole of the rotor is shown with red, whereas blue represents the south pole.
目前,既没有线圈都能通电,并且转子是固定的。A和C在两个阶段施加电压,沿虚线产生一个组合的磁场。因此,转子现在开始旋转以与本动画中看到的定子磁场对齐。
有六个可能的方法来启动线圈对。通过一次通勤两个阶段,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子转弯并最终处于动画中显示的位置。转子角度相对于水平轴测量,并且有六个不同的转子比对,每个转子比对,每个60度彼此相距60度。这意味着,如果我们可以每60度通勤每60度正确的阶段,则可以使电动机旋转。这称为六步换向或梯形控制。请注意,使用更多的杆对,换向的发生频率更高。要以正确的阶段在正确的时间正确换到电动机,我们需要知道转子位置,该位置通常是通过使用霍尔传感器来测量的。
Let’s discuss how the poles interact with each other. Here, the arrows represent the relative magnetic forces and the arrow thickness indicates the field strength. These two poles of the same kind repel each other, making the rotor turn counterclockwise. At the same time, the opposite poles attract each other and the rotor keeps on turning in the same direction. Once it completes 60 degrees of rotation, the next commutation occurs. Let’s also show the stator magnetic field we discussed earlier on the animation. As you can see, the commutation occurs in such a way that the rotor never aligns with the stator magnetic field but is always chasing it.
这是可以解释这种行为的两个事实。首先,当转子和定子磁场完美对齐时,电动机会产生零扭矩。因此,我们永远不会让他们对齐。其次,当磁场彼此90度时,会发生最大扭矩。因此,目标是使该角度接近90度。但是,在BLDC电动机中,我们从未达到90度,具有六步换向的换向,而角度在某些范围内波动。这是由于梯形控制的简单性质。但是,更先进的技术,例如面向场的控制,通常用于控制PMSM,如我们之前讨论的,可以通过在定子和转子磁场之间实现90度来产生较大的扭矩。
六步换向控制阶段, a three-phase inverter is used to convert the DC power into three phase currents, which are shown on the animation with red and blue. To supply positive current to one of the phases, the switch connected to that phase at the high side needs to be turned on. And for negative current, the low side switch needs to be on. A constant voltage gets converted by the three-phase inverter to keep the motor at a constant speed. But to control the motor at varying speeds, we need to be able to adjust the applied voltage. One way of doing this is to use PWM. But we’ll talk about this in more detail in the next videos. For more information on BLDC motors, don’t forget to check out the links below this video.
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