从系列:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
学习无刷直流电机(bldc)的基本原理。无刷直流电机比有刷直流电机有许多优点。它们具有高效率和低维护的特点,已广泛应用于家用电器、机器人和汽车行业。
你将学习:
查看此视频了解如何从头构建无刷直流模型,并使用Simscape Electrical模拟其反电动势电压。
本视频中使用的型号可在这GitHub库.
在这个系列中,我们将讨论无刷直流电动机。本视频将介绍这些电动机的基本原理和工作原理,在接下来的视频中,我们将讨论更多关于电动机控制的内容。
日常设备到更复杂的机器都利用无刷直流电动机,将电能转换成旋转运动。无刷直流电动机,也称为bldc,提供了许多优势,超过其有刷的同行。无刷直流电机提供更高的效率和更低的维护要求,这就是为什么在过去几十年里,它们在许多应用中取代了拉丝电机。
这两种电机的运行原理相似,其旋转运动是通过永磁体和电磁铁的磁极相互吸引和相互排斥而产生的。然而,这些电机的控制方式是非常不同的。bldc需要一个复杂的控制器将直流电源转换为三相电压,而刷式电机可以很容易地由直流电压控制。
这里,我们将向您展示一个简单的动画刷直流电机。通过将直流电通过线圈绕组,我们就可以用这些磁极产生电磁铁。然后这些磁极与永磁体的磁极相互作用,使转子旋转。注意,在转子每转半圈后,为了保持转子旋转,我们需要翻转电磁铁的极点,这是通过开关线圈绕组中电流的极性来完成的。这种相位的转换称为换向。在有刷电机中,换向发生机械性,当电机旋转时,电刷与转子的换向器接触。由于这种物理接触,随着时间的推移,电刷磨损,影响电机的性能。
无刷直流电机克服了有刷电机的缺点,用电子驱动换向代替了机械换向。为了更好地理解这一点,我们来看看无刷直流电机的结构。
你可以把无刷直流电机想象成一个翻转版的拉丝电机,因为永磁体现在变成了转子,而线圈绕组变成了定子。有不同磁铁安排的电机,其中定子可能有不同数量的绕组和转子可能有多个极对。除了不同的配置,你也可能遇到类似的结构电机,永磁同步电机,或永磁同步电机。
无刷直流电机和永磁同步电机定义为在转子中装有永磁体的同步电机。它们的关键区分因素是反电动势电压的形状。电动机在旋转时起发电机的作用。这意味着一个反电动势电压在定子感应,这是反对电机的驱动电压。反电动势是电机的一个重要特征,通过看它的形状,我们可以告诉什么类型的电机,它也规定了类型的控制算法,我们需要使用来控制我们的电机。无刷直流电机呈梯形,一般采用梯形控制。但是永磁同步电动机是由磁场定向控制的,因为它们表现出正弦反电动势。有时,永磁同步电动机和无刷直流电动机可以在电机控制社区中互换使用,这可能会导致对其反电动势配置的混淆。但在本系列视频中,我们将把梯形反电动势电机称为bldc,将正弦反电动势电机称为pmms。
观察反电动势形状的一个简单方法是使用模拟。我们可以模拟带有开路端子的单极对无刷直流电机。这意味着没有一个线圈是驱动的。但是我们可以施加一些扭矩来旋转转子,这样它就像一个发电机,然后测量a相的电压,这就会得到a相的反电动势。正如您在这个范围中看到的,无刷直流电机的反电动势具有梯形形状,其中包括电压保持平坦的区域。这告诉我们,我们可以用直流电压控制这个电机。
接下来,我们将讨论电动机的内部工作原理。为此,我们将使用一个简单的配置,转子仅由一个单极对和定子由三个线圈间隔120度。线圈可以通过通过它们的电流来通电,我们将其称为a、B和c相。转子的北极用红色表示,而蓝色表示南极。
目前,没有线圈是通电的,转子是静止的。在两相施加电压时,A和C沿虚线产生联合磁场。作为这一结果,转子现在开始旋转,使自己与定子磁场对齐,正如在这个动画中看到的。
给线圈对通电有六种可能的方法。通过一次换向两相,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子旋转,并在动画中显示的位置结束。转子角度是测量相对于水平轴,有六个不同的转子对准,每个60度彼此分开。这意味着,如果我们能每60度交换正确的相位,我们就能让马达旋转。这叫做六步交换,或者梯形控制。注意,极对越多,换相发生得越频繁。为了在正确的时间和正确的相位对电机进行正确的换向,我们需要知道转子的位置,这通常是用霍尔传感器测量的。
让我们讨论一下两极是如何相互作用的。这里,箭头代表相对磁力,箭头厚度表示磁场强度。这两个相同的磁极相互排斥,使转子逆时针旋转。同时,相反的磁极相互吸引,转子继续向同一方向转动。一旦它完成了60度的旋转,下一个交换就发生了。让我们也展示一下我们之前在动画中讨论过的定子磁场。正如你所看到的,换向是以这样一种方式发生的,转子永远不会与定子磁场对齐,但总是追逐它。
这里有两个事实可以解释这种行为。首先,当转子和定子磁场完全对齐时,电机产生零转矩。所以我们从不让他们结盟。其次,最大扭矩出现在油田彼此之间的90度角。我们的目标是让这个角接近90度。然而,在无刷直流电动机中,我们无法用六步换向达到90度,但角度在一定范围内波动。这是由于梯形控制的简单性质。但更先进的技术,如磁场定向控制,如我们之前讨论的,通常用于控制pmms,允许产生更大的扭矩,实现定子和转子磁场之间的90度。
为了控制六步换相,使用三相逆变器将直流电源转换为三相电流,动画中用红色和蓝色表示。为了向其中一相提供正电流,需要打开连接到该相高侧的开关。对于负电流,低侧开关需要打开。三相逆变器转换恒定电压,使电机保持恒定转速。但要控制电机在不同的速度,我们需要能够调整施加的电压。一种方法是使用PWM。但我们会在接下来的视频中更详细地讨论它。想了解更多关于无刷直流电机的信息,不要忘记查看下面这个视频的链接。
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