从系列:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
观看这个视频来学习如何设计一个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如何工作,如换相逻辑和三相逆变器。我们还将讨论为什么我们观察到无刷直流电机的速度和转矩响应的波动,并给你感应反激概念的直觉。
看看这个视频,学习如何使用Simscape电气建模三相逆变器
本视频中使用的模型在这GitHub库。
在这个视频中,我们将讨论什么样的控制算法,你需要控制一个无刷直流电机。我们将探讨这种控制算法的不同信号的行为,并讨论感应反激的概念。
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产生运动的无刷直流电机,其中正确的相位每60度换向电机连续旋转。
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,它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,由于电压和转速之间的比例关系,电机以恒定的速度转动。但如果我们想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,我们首先需要使用传感器如霍尔效应传感器测量它的角度位置和速度。请注意,霍尔传感器不能提供转子在扇形内精确位置的信息。但相反,它允许检测转子何时过渡从一个扇区到另一个。实际上,扇区信息是我们需要知道的一切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可以交换。正确的相位是由计算三相逆变器开关模式的换相逻辑电路确定的。让我们来看看这些块是如何相互作用的。在换相逻辑表中,字母A、B、C代表电机的三相;三相逆变器的高侧标注为H,低侧标注为l。为了了解逆变器和无刷直流换向开关是如何基于换向逻辑工作的,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,因为现在我们知道什么时候换向转子和哪个阶段,以激励在每个换向。我们的下一个目标是让马达以不同的速度旋转。
目前,我们输入一个恒定的直流电压逆变器,这导致恒定的速度,正如我们之前讨论过。我们可以用合适的控制器使回路合拢来调节这个电压。基于期望的和测量的速度之间的差异,控制器将调整电压,使电机转速接近期望的值。这里需要注意的是,换易逻辑也属于图中浅蓝色所示的控制算法。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仿真环境中实现,如图所示。注意,这里我们假设我们正在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,我们将在下个视频中讨论。如果你想学习如何建立这个模型,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如何映射到Simulink模型中的子系统。金宝app该模型可以记录速度、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.
我们马上注意到的是这个速度信号的波纹。这里我们有另一个图显示转子在扇区之间的过渡。把扇形和速度图放在一起看,我们可以看到速度的波纹与换相有关,因为波纹图案与每个换相周期的开始相一致。记住在换向过程中发生了什么。一个相位被拉高,另一个被拉低,第三个相位被打开。如果在换相过程中,三相电流如图中所示发生变化,那么我们就不会在速度上观察到任何波纹图案。但在现实中,当我们驱动一个相时,电流不会瞬间改变。看看这三相电流,我们可以看到它们是如何随着时间的推移而上升的,这反过来又导致了速度的波动。速度不是唯一受影响的信号,但我们也观察到扭矩响应的波动,因为电流和扭矩是成比例相关的。转矩响应的波动被认为是缺陷之一BLDC电机的梯形控制。
当我们看着三相电流时,有些东西抓到了你的眼睛吗?当一个相位从开相状态拉高时,在开始再次上升之前发生突然跳跃。与此同时,在换向期间保持较低的阶段发生另一跳。为了更好地理解通电阶段的这些瞬时变化背后的原因,让我们看看这个动画。在换向期间,随着相电流的增长,在激励阶段建立磁场。在换向时,在这种情况A中,这些相之一成为开路电路,因此在该打开的相位上的已建立的字段塌陷。所以相电流下降到零。
我们倒回去看看B和C在对易时发生了什么。当C阶段有一个完全建立的场与B阶段相连时,C阶段上建立的场几乎瞬间坍塌,同时B阶段也建立了一个场来响应坍塌。由于在B相突然建立磁场,我们在B相电流中观察到一个跳变。由于C相的坍塌,我们观察到电流的突然减少,由于B和C的电场在50%的电场强度下达到平衡,电流就下降到原来的一半。由于这些相电流的瞬时变化,我们观察到三相电压的尖峰。我们刚才描述的这种现象叫做电感反激。
让我们包装我们在此视频中看到的内容。我们首先讨论了控制算法的不同元素,该算法决定何时换乘电机以及在换向期间激励的阶段。然后,我们展示了如何通过控制器调节电压来控制电动机的速度。在这里,我们假设理想的可控电压源,但实际上我们需要一种方法,例如PWM以将恒定的直流电压转换为AC电压。在下一个视频中,我们将使用PWM更新我们的控制算法以控制电机速度。有关电机控制的更多信息,请不要忘记查看此视频下面的链接。
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