来自系列:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
了解无刷直流电机(BLDC)的基础知识。BLDC电机提供刷牙直流电机的许多优点。它们具有高效率和低维护,并常用于家电,机器人和汽车行业。
你将学习:
查看此视频以了解如何从划痕构建BLDC的模型,并使用Simscape Electract模拟其反EMF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。
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,以DC功率转换为三相电压,而刷马达可以通过直流电压来容易地控制。
在这里,我们将向您展示刷式直流电机的简单动画。通过通过线圈绕组通过DC电流,我们用这些磁极产生电磁铁。然后这些极点与永磁体的极相互作用,使转子旋转。注意,在转子的每半转后,保持转子旋转,我们需要翻转电磁铁的极点,这通过切换线圈绕组中电流的极性来完成。这种相位的阶段称为换向。在拉丝电动机中,换向作为电动机旋转时,电刷与转子的换向器接触的情况下发生换向。由于这种物理接触,刷子随着时间的推移磨损,影响电机性能。
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。
您可以将一个BLDC视为刷式电机的翻转版本,因为永磁磁铁现在成为转子,而线圈绕组成为定子。存在具有不同磁体布置的电动机,其中定子可以具有不同数量的绕组,并且转子可以具有多个磁极对。除了不同的配置之外,您还可以遇到类似的结构化电机,永磁同步机或PMSM。
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,并且定子由三个线圈组成,在120度下间隔开。线圈可以通过通过它们通过它们来激励,我们将参考A,B和C.转子的北极用红色表示,而蓝色代表南极。
目前,线圈没有通电,转子是静止的。施加两相,A和C沿着虚线产生组合磁场。结果,转子现在开始旋转以使定子磁场对齐,如此动画所示。
有六种可能的线圈对的方法。通过一次换乘两个阶段,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子转动并最终在动画中所示的位置。转子角度相对于水平轴测量,并且存在六个不同的转子对准,每个转子对准彼此间隔60度。这意味着,如果我们可以每60度换乘阶段,我们可以使电机旋转。这称为六步换向或梯形控制。注意,通过更多的极对,换向发生换向。要正确地向电动机正常换向使用正确的阶段,我们需要知道转子位置,该位置通常通过使用霍尔传感器来测量。
让我们讨论杆子如何相互交互。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,使转子逆时针旋转。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,使转子永远不会与定子磁场对齐,但始终追逐它。
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。
为了控制六步换向的阶段,使用三相逆变器将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。通过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面的链接。
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