来自系列:电机控制
Melda Ulusoy, MathWorks
该视频讨论了PWM脉冲宽度调制 - 以及两个不同的架构,用于实现用于控制BLDC电机速度的PWM控制。
PWM是一个方波信号,它以一定频率重复。每个PWM周期称为周期,并且在给定时期期间PWM信号接通的时间百分比确定占空比。使用PWM,我们能够将恒定的直流电压调整到不同的电压电平。这有助于我们以不同的速度控制电机。该视频演示了两个用于PWM控制的常见架构。在第一个,我们使用降压转换器以及PWM发生器将DC源电压降低到三相逆变器。在第二个中,我们讨论了使用PWM控制直接调制三相电压的不同架构。
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在这个视频中,我们将学习什么是PWM,或者脉冲宽度调制,以及它如何用来控制无刷直流电机的速度。之前,我们讨论了如何通过调整提供给三相逆变器的直流电压来控制无刷直流电机的变速。在这个仿真中,我们使用了一个理想的电压源,让我们产生不同的直流电压水平,由控制器控制。但在现实中,我们的直流电压源提供一个固定的电压,我们需要使用一种叫做PWM或脉宽调制的技术来调制它,然后再将它提供给三相逆变器。
这是PWM信号的样子。它基本上是一个方波信号以特定的频率重复。为了理解PWM如何帮助电压调制,让我们看一个例子。假设我们有一个直流电压源,可以提供0伏或100伏的电压。为了在不同的速度下控制电机,我们需要从0到100伏特的电压值。PWM的作用类似于一个开关,它取直流电压,并将其应用到电机上,通过一系列特定频率的通、关脉冲。每个PWM周期被称为一个周期,在一个给定的周期内,PWM信号开启的时间百分比就是占空比。例如,如果我们有50%的占空比,这意味着在每个周期中有一半时间信号是开的,另一半时间信号是关的。当我们用这个驱动一个电机时,电机看到的有效电压将是这个PWM信号的平均值,也就是50伏。我们可以把100伏的直流电压用50%占空比的脉冲开关来产生50伏的电压。
现在,如果保持更改占空比,则可以连续调制此信号,并在0到100伏之间创建不同值的整个范围,以控制电机以不同的速度。注意占空比越长,我们得到的电压越高。现在我们知道PWM控制对电机看到的输出电压具有平均效果。要获得此平均效果,我们应该在选择PWM频率时要小心,由1 /周期计算。如果开关频率太低,而不是看到平均电压,电机将看到试图遵循方波形状的电压。这将导致跟踪参考速度差,电机将继续加速和放慢速度。但是,当我们将PWM频率增加到某个合理值时,将平均电压,这将提高速度控制性能。请注意,由于PWM的切换性质,纹波将发生。通常,控制BLDC电机的PWM频率约为几千赫兹的顺序,并且需要选择远高于电机时间常数的倒数。
现在我们已经从概念上讨论了PWM,我们将看看用于实现PWM的两种常见架构。这是第一个。在这个模型中,我们希望无刷直流电机跟踪从0到600转/分钟逐渐上升的所需速度。这个模型包含类似的块,我们在之前的视频中看到,除了这一部分,我们使用降压转换器实现PWM控制。buck变换器用来调节直流电源电压到不同的电压水平,以便能够在不同的速度下控制无刷直流电机。在这个仿真中,buck变换器的输入是由提供500伏电压的直流电压源块提供的。让我们看看这个子系统的内部,了解降压转换器是如何工作的。我们在这里看到的是一个PWM发生器,它产生1khz的方波信号。如果我们向上,我们看到PWM发生器的输入是占空比,这是由控制器决定的。由PWM发生器产生的信号在0和1之间波动,并控制降压转换器的两个开关的通断持续时间。 Depending on this duration, we observe a different amount of voltage drop at the output of the buck converter.
在这里,我们测量两个电压;在降压转换器的输入中的一个,其是DC源电压和降压转换器的输出处的第二个,其给出了向三相逆变器提供的调制DC电压。现在,我们将运行此模型,并查看这两个电压以及参考和测量速度。
在上图中,我们看到直流源电压为500伏。第二个通过降压转换器向我们展示调制的直流电压。由于电压调制,我们能够以我们在此处看到的不同速度控制电机。这里,测量的速度以橙色显示,成功跟踪绿色所示的所需速度。
我们使用这种架构讨论了BLDC速度控制,其中PWM发生器以及降压转换器一起使用,以向三相逆变器提供调制的直流电压。让我们来看看第二个架构,看看PWM控制如何在这个中实现。我们在此注意到的第一件事是该模型不使用降压转换器。在第一款模型中,我们正在调制提供给三相逆变器的电压。但在该模型中,我们直接调制相位电压。这里,PWM在换向逻辑子系统下使用,我们将仔细看看下一个。
这是PWM发生器。根据我们在此处看到的,PWM发生器输出确保直流源电压打开和关闭,以激励基于转子所在的扇区的正确阶段。了解如何在此执行电压调制的最简单方法是模拟此模型并观察相电压。现在,我们将运行模型并查看速度,扇区,阶段和相C电压。如在速度图中所见,在该区域中,速度是恒定的。因此,让我们缩小到这里更好地看到相位电压如何改变,因为电机以恒定的速度运行。根据这个逻辑,当转子在扇区中的一个方面说出时,选择这两个输入。该一个分别为A和C相位命令高和低信号。并且该输入通过向A和高信号发送低信号至C而完全相反.PWM发生器基于其占空比,这两个状态在这两个状态之间切换,因此我们看到了相位a和阶段的方式C电压在+/- 250伏之间脉冲,+/-直流源电压/ 2。当像素一样调制相电压时,将平均由电动机看到的有效电压。
请记住,我们讨论了在非换向阶段在非换向阶段引起的后EMF如何。在图中看到的反态电压为我们提供了关于电动机看到的平均电压的线索。例如,当阶段-A没有被换向时,这是反电动势电压的相位,告诉我们电机看到的相位电压将大致约束整个区域中的25伏,而电机看到的相C电压将是-25伏特。使用此线索,我们可以简单地弄清楚有效电压在换向阶段的其余部分。
总之,我们讨论了PWM的概念以及它如何用于以不同的速度控制BLDC电机。我们还讨论了PWM的两个常见实现,并模拟了这些模型,仔细研究了PWM控制期间的电压和速度特性。您还可以查看我们的其他视频系列,我们展示了如何构建我们在这些技术谈话视频中使用的模型。请找到以下系列的链接。
在接下来的Tech Talk视频中,我们将讨论PMSM电机和磁场定向控制。想了解更多关于无刷直流和永磁同步电机控制的信息,不要忘记查看视频下面的链接。
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