从系列:电机控制
Mathworks Melda Ulusoy
观看这个视频了解如何设计电机控制算法来控制无刷直流电机的速度。您将了解系统的不同组成部分是如何工作的,例如换向逻辑和三相逆变器。我们还将讨论为什么我们观察到无刷直流电机的速度和扭矩响应的波纹,并让你直观地了解感应反激的概念。
查看此视频以了解如何使用Simscape Electrical模拟三相逆变器
此视频中使用的模型可用这GitHub库。
在此视频中,我们将讨论控制BLDC电机所需的控制算法。我们将探讨该控制算法的不同信号的行为,还讨论了电感反激的概念。
在之前的视频中,我们介绍了一个无刷直流电机,它有三个线圈绕组在定子和一个单极对在转子。我们还讨论了如何通过六步换向或梯形控制在无刷直流电机中产生运动,其中正确的相位每60度换向,以使电机连续旋转。
在这里,我们有一个直流电压源,为三相逆变器提供恒定的电压,将直流电源转换为三相电流,以激励不同的线圈对。当施加电压恒定时,由于电压与速度的比例关系,电机以恒定的速度旋转。但是如果我们想要以不同的速度控制电机,那么我们需要建立一个控制器来调整施加电压的大小。让我们首先构建这个控制器的图。
这是我们的汽车。为了控制它,我们首先需要使用霍尔效应传感器等传感器来测量它的角位置和速度。注意,霍尔传感器不能提供转子在扇区内的精确位置信息。但它允许检测转子何时从一个扇区过渡到另一个扇区。实际上,扇区信息是我们需要知道的,来决定什么时候换向电机。但是我们仍然不知道三个相中的哪两个要交换。正确的相位由计算三相逆变器开关模式的换相逻辑电路指定。让我们直观地看看这些块是如何相互作用的。换相逻辑表中,字母A、B、C代表电机三相;三相逆变器的高侧用H标记,低侧用l标记。根据换向逻辑,看看逆变器和无刷直流换向的开关是如何工作的,让我们用之前的动画替换这部分。 If the rotor is within the first sector, the commutation logic selects this switching pattern, which dictates an on state for the high side switch of phase A and the low side switch of phase C. As the rotor transitions to other sectors, a switching pattern is selected accordingly and sent to the three-phase inverter.
我们得到了电机旋转,因为现在我们知道何时换乘转子以及哪个阶段在每个换向期间能够激励。我们的下一个目标是使电机以不同的速度旋转。
目前,我们输入一个恒定的直流电压到逆变器,这导致恒定的速度,正如我们之前讨论的。我们可以用合适的控制器闭合回路来调节电压。根据所要求的转速和被测转速之间的差异,控制器将调整电压,使电机转速接近所要求的值。这里需要注意的是,换向逻辑也属于控制算法,在图中显示为浅蓝色。物理系统的所有组成部分都用浅灰色表示。这样的电机控制算法可以在这里看到的仿真环境中实现。注意,这里我们假设我们以理想的方式改变电压来演示操作,但实际上我们需要使用PWM,我们将在下一个视频中讨论。如果你想学习如何构建这个模型,不要忘记查看视频下面的链接。彩色框显示了控制算法的不同部分是如何映射到Simulink模型中的子系统的。金宝app该模型记录诸如速度、电压、电流和扭矩等信号。 To explore these, let’s run the model and first look at the desired speed. As you see here, it ramps up from 100 to 500 rpm in 100-rpm increments. If we now look at the voltage, we see how it’s adjusted by the controller to make the motor rotate at the desired speed as seen on the measured speed.
我们立即注意到这是该速度信号中的涟漪。在这里,我们在扇区之间转换时,我们有另一个曲线表现出。看着该扇区,速度绘图一起向我们展示了速度涟漪与换向有关,因为波纹模式与每个换向周期的开头对齐。记住换向期间发生的事情。其中一个相拉高,而另一个相位被拉低,并且第三阶段是打开的。如果在换向期间在此图中看到的三相电流发生了变化,那么我们不会以速度观察任何波纹模式。但实际上,当我们开一个阶段时,电流不会瞬间改变。看着三相电流,我们看出它们如何随着时间的推移而上升,这又导致速度扭曲。并且速度不是唯一受影响的信号,但我们也观察扭矩响应中的纹波,因为电流和扭矩与比例相关。扭矩响应中的波纹被认为是其中一个缺点无刷直流电动机梯形控制。
当我们观察三相电流时,你注意到什么了吗?当一个相从一个开相状态被拉高时,在它开始再次上升之前,相电流会突然跳变。与此同时,另一个跳变发生在换向期间保持低电平的阶段。为了更好地理解通电相中这些瞬间变化背后的原因,让我们看一下这个动画。在换相过程中,随着相电流的增大,磁场在通电相上建立。在换相时,其中一个相,在这个例子中是相A,变成了一个开路,因此在这个开路的相上建立的磁场崩溃。所以相电流降为零。
让我们重新推动这一点,看看换换时B和C的阶段会发生什么。当相对于具有完全建立的字段的阶段C连接到相位B时,几乎瞬时地将C上的已建立的字段坍塌而在同一时间相位B上建立响应于崩溃的场。由于这种突然建立在B阶段,我们观察到相位B电流中的跳跃。由于阶段C的崩溃,我们观察到电流的突然减小,这是其幅度的一半,因为B和C处的田地在50%的场强处找到平衡。由于这些瞬时变化在相电流中,我们观察三相电压中的尖峰。我们刚才描述的这种现象称为电感反激。
让我们总结一下在这个视频中看到的内容。我们首先讨论了控制算法的不同元素,决定何时换向电机和换向期间的激励阶段。然后我们展示了如何通过控制器调节电压来控制电机的速度。在这里,我们假设一个理想的可控电压源,但在现实中,我们需要一种方法,如PWM来转换恒定的直流电压到交流电压。在下一个视频中,我们将更新我们的控制算法,使用PWM控制电机速度。要了解更多关于电机控制的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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