从系列:电机控制
梅尔达·乌卢索伊,马修斯
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。
您将了解:
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在中提供这GitHub库.
在本系列中,我们将讨论无刷直流电机。本视频将介绍这些电机的基本原理和工作原理,在接下来的视频中,我们将进一步讨论电机控制。
更复杂的机器的日常设备都使用无刷直流电机,将电能转换为旋转运动。无刷直流电机,也称为无刷直流电机,与有刷电机相比具有许多优势。BLDC提供更高的效率和更低的维护,这就是为什么在过去几十年中,它们在许多应用中取代了有刷电机。
两种类型的电动机基于类似的原理操作,其中通过永久和电磁铁的磁极的吸引和排斥来产生旋转运动。然而,这些电机被控制的方式非常不同。BLDCS需要复杂的控制器来将DC电源转换为三相电压,而刷式电机可以容易地通过DC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。
无刷直流电动机和永磁同步电动机是指转子中装有永磁体的同步电动机。它们的关键区别在于反电动势电压的形状。电机在旋转时起发电机的作用。这意味着在定子中感应反电动势电压,与电机的驱动电压相反。反电动势是电机的一个重要特性,因为通过观察电机的形状,我们可以知道我们有什么类型的电机,它还决定了我们需要使用什么类型的控制算法来控制电机。BLDC具有梯形形状,通常由梯形控制装置控制。但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,永磁同步电机和无刷直流电机在电机控制界互换使用,这可能会导致对其反电动势曲线的混淆。但在本系列视频中,我们将梯形反电动势电机称为BLDC,正弦反电动势电机称为PMSM。
观察反电动势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单极对无刷直流电。这意味着没有线圈被驱动。但我们可以施加一些力矩来旋转转子,使其像发电机一样工作,然后测量a相的电压,这将给出a相的反电动势。正如您在此范围内看到的,无刷直流电机的反电动势呈梯形,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台电机。
接下来,我们将讨论电机的内部工作。为此,我们将使用简单的配置,其中转子仅由单个杆对组成,并且定子由三个在120度下间隔开的线圈组成。线圈可以通过通过它们通过它们来激励,这将参考阶段A,B和C.转子的北极被示出为红色,而蓝色代表南极。
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。
让我们讨论杆子如何相互互动。这里,箭头表示相对磁力,箭头厚度表示场强。这两极相互排斥,使转子逆转。同时,相对的杆彼此吸引,转子保持在相同方向上的转弯。一旦完成60度的旋转,就会发生下一个换向。我们还显示了我们在动画上讨论的定子磁场。如您所见,换向发生,使转子从不与定子磁场对齐但总是追逐它。
以下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。因此,我们从不让他们结盟。其次,当磁场彼此成90度时,会产生最大扭矩。所以目标是使这个角度接近90度。然而,在无刷直流电机中,我们从未实现六步换向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,通常用于控制永磁同步电机,如我们前面所讨论的,允许通过实现定子和转子磁场之间的90度来产生更大的转矩。
为了控制六步换向的阶段,三相逆变器用于将DC电力转换为三相电流,以红色和蓝色显示在动画上。要为其中一个阶段提供正电流,需要打开连接到高端的该相位的开关。对于负电流,低侧开关需要打开。由三相逆变器转换恒定电压以使电动机以恒定的速度保持。但要以不同的速度控制电机,我们需要能够调整所施加的电压。这样做的一种方法是使用PWM。但我们将在下一个视频中更详细地讨论这一点。有关BLDC电机的更多信息,请不要忘记查看此视频下方的链接。
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