从系列:电机控制
Methworks Melda Ulusoy
本视频讨论PWM脉宽调制和两种不同的架构来实现PWM控制控制无刷直流电动机的速度。
PWM是一种方波信号,以一定的频率重复。每个PWM周期称为一个周期,在给定的周期内PWM信号打开的时间百分比决定了占空比。使用PWM,我们能够调整一个恒定的直流电压到不同的电压水平。这有助于我们控制不同速度的马达。视频演示了PWM控制的两种常见架构。在第一种方法中,我们使用降压转换器和PWM发生器来将直流电源电压降至三相逆变器。在第二部分中,我们讨论了一种不同的体系结构,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构建这个技术谈话视频中使用的模型。
此视频中使用的模型可用这个github存储库。
在这个视频中,我们将学习什么是PWM,或者脉冲宽度调制,以及如何使用它来控制无刷直流电动机的速度。之前,我们讨论了如何通过调节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。但实际上,我们的直流电压源提供了一个固定的电压,我们需要用一种叫做PWM的技术进行调制,或者叫脉冲宽度调制,然后再把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,它以一定频率重复。要了解PWM如何有助于电压调制,请查看一个示例。说我们有一个可以提供0或100伏的直流电压源。为了以不同的速度控制电动机,我们需要从0到100伏的电压值。PWM的作用类似于采用直流电压的开关,并在一定频率下使用一系列接通和关闭脉冲将其施加到电机上。每个PWM循环称为一段时间,并且PWM信号在给定时期的时间百分比给出了占空比。例如,如果我们有50%的占空比,这意味着在每个时期的一半,信号在另一半的时间内,它是关闭的。当我们驾驶电机时,电机看到的有效电压将是该PWM信号的平均值,这是50伏。我们能够使用50%的占空比,将100伏的直流电压持续100伏,脉冲,以产生50伏。
现在,如果你一直改变占空比,你就可以不断地调节这个信号并创造出0到100伏特的整个范围来控制你的电机在不同的速度下。注意,占空比越长,我们得到的电压越高。现在我们知道PWM控制对电机看到的输出电压有一个平均效应。为了得到正确的平均效果,我们在选择PWM频率时应该小心,它是按1/周期计算的。如果开关频率过低,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。这将导致参考速度跟踪不良,电机将继续加速和减速。但是,当我们将PWM频率提高到一定的合理值时,电压会被平均,从而提高调速性能。请注意,由于PWM的开关特性,波纹将会发生。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。
现在我们在概念上讨论了PWM,我们将查看用于实现PWM的两个常见体系结构。这是第一个。在该模型中,我们希望BLDC跟踪所需的速度,逐渐增加0到600 rpm。该模型由我们在上一个视频中看到的类似块组成,除了使用降压转换器实现PWM控制的本部分之外。降压转换器用于将DC源电压调节到不同的电压电平,以便能够以不同的速度控制BLDC电机。在该模拟中,对降压转换器的输入由该DC电压源块提供,该直流电压源块提供500伏。让我们看看这个子系统,了解降压转换器的工作原理。我们在这里看到的是PWM发生器,在1 kHz处产生方波信号。如果我们上升,我们会看到PWM发生器的输入是占空比,由控制器确定。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开和截止持续时间。 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,也就是直流源电压,另一个在降压变换器的输出端,它给我们调制后的直流电压,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,我们可以看到直流电源电压为500伏特。第二张图显示了由降压变换器调制的直流电压。作为电压调制的结果,我们能够控制电机在不同的速度,我们在这里看到。在这里,测量的速度显示为橙色,这成功地跟踪了所需的速度显示为绿色。
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变换器一起提供一个调制的直流电压给三相逆变器。让我们来看看第二个架构,看看PWM控制在这个架构中是如何实现的。我们注意到的第一件事是这个模型没有使用buck转换器。在第一个模型中,我们正在调制提供给三相逆变器的电压。但在这个模型中,我们直接调节相位电压。在这里,PWM是在换向逻辑子系统下使用的,我们将在接下来更仔细地看一下。
这是PWM发生器。根据我们在这里看到的这个逻辑,PWM发生器输出确保直流电源电压脉冲打开和关闭,以根据转子所在的扇区提供正确的相位。要理解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位电压。现在,我们运行这个模型,看看速度,扇区,相位a和相位c的电压。从速度图中可以看出,在这个区域内,速度是恒定的。所以,让我们放大到这里来更好地看到,当电机以恒定速度运行时,相位电压是如何变化的。根据这个逻辑,当转子在我们说在扇区,这两个输入被选择。这一个命令高和低信号的a和C相位,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。
请记住,我们讨论了在非换向期阶段在非换向阶段引起的回归。在图中看到的反态电压为我们提供了关于电动机看到的平均电压的线索。例如,当阶段-A没有被换向时,这是反电动势电压的相位,告诉我们电机看到的相位电压将大致约束在该区域中25伏,而电机看到的相C电压将在-25伏特左右。使用此线索,我们可以简单地弄清楚有效电压在换向阶段的其余部分。
综上所述,我们讨论了PWM的概念以及如何用它来控制不同速度的无刷直流电动机。我们还讨论了PWM的两种常见实现,并对这些模型进行了仿真,以更近距离地观察PWM控制过程中的电压和速度特性。你也可以查看我们的其他系列视频,其中我们展示了如何构建我们在这些技术谈话视频中使用的模型。请在下面找到该系列的链接。
在下一个Tech Talk视频中,我们将讨论PMSM电机和磁场定向控制。更多关于无刷直流电机和永磁同步电机控制的信息,不要忘记查看下面的链接。
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