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    1 结构及其物理特性的差异

    现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电机分为方波驱动电机和正弦波驱动电机。前者被称为无刷直流电动机活或是电子换相直流电动机(ElectronicallyCommutated Motor,ECM),后者曾有人称为无刷交流电动机BLAC,现在对于这两种电机有了比较明显且较为广泛认同的称谓:方波驱动的称为无刷直流电机正弦波驱动的称为永磁同步电机。

    表面上看,BLDC和PMSM的基本结构是相同的,并且确实有以下几个相同点

    1、他们本质上都是永磁电动机,转子由永磁体组成基本结构,定子安放有多相交流绕组;

    2、都是由永磁体转子和绕组定子的交流电流相互作用产生电机的转矩,本质利用的物理原理都是通电导体在磁场中受力

    3、在绕组中的驱动电流必须与转子位置反馈同步

    这两种电机的不同点在于:

    1、无刷直流电动机BLDC是方波电流驱动,而永磁同步电机PMSM是正弦波电流驱动。其不同之处主要由这一点造成。

    2、永磁同步电机PMSM在电气和机械方面更加安静,转矩基本没有脉动,而BLDC是方波驱动,存在转矩脉动。其原因在于:由于电感存在, 电流不会突变,因此在换相过程中断开相电流,电流下降的过程和新接入的新相电流上升过程都需要时间,因此相电流不可能是理想的方波,从而会产生非换相相电流脉动,从而引起换相转矩脉动

    3、因为驱动电流不同,气息磁场波形、反电动势波形、转矩波形均不相同。如下图所示为理想情况下:磁通密度分布、相反电动势、相电流和电磁转矩波形。此处电流为理想方波,实际是不存在的。

    4、电流环路结构不同,速度反馈信息的获取也不相同。

    5、电动机气息磁通密度分布设计和绕组设计不同,一个是针对正弦波驱动,一个是针对方波驱动,永磁同步电机追求正弦磁通,其绕组分布更多更分散,而无刷直流电机相对简单,所以无刷直流电机造价相对便宜一些。

    通过以上的分析,我们可以发现一个BLDC的一个最大的缺点就是转矩的脉动,其原因是方波驱动的固有缺点,那在很多篇文章和实际应用案例中,BLDC的转矩脉动都是一个着重解决的问题,因此本篇文章不做具体阐述,这个重要的问题,在后面重点以单篇的形式进行分析。其实分析到这里就有人要问了,为什么永磁同步电机这么香,还要用BLDC呢?无他,省钱省事(手动狗头),电机便宜,方波的发波方式相对于SVPWM要简单,CPU要求不高。我们自己学习的时候用的芯片,带BLDC都是妥妥的。

    2 数学模型的区别

    永磁同步电机的数学模型一般以dq轴坐标系的模型为主要分析对象,这是因为永磁同步电机的电感是线性的,其反电动势波形也是正弦的,在一个基波周期内的波形越接近于正弦,其谐波含量越小,精度越高,PMSM在dq坐标系的数学模型为:

    电压方程:

    定子磁链方程:

    电磁转矩方程:

    运动平衡方程:

    无刷直流电动机的数学模型,由于BLDC采用整距集中绕组,感应电动势为梯形波,包含许多高次谐波,并且BLDC的电感为非线性电感,因此BLDC并不适合在dq轴坐标系,坐标变换理论也并不适合,主要还是谐波太多了,dq分析不是很有效的方法,因此在分析和仿真BLDC控制系统时,直接采用相变量法,根据转子位置,采用分段线性表示感应电动势及其他物理量。

    电压方程:式中R为相定子电阻,i为相电流,P为微分算子,Lx为相定子电感,Lxy为相间互感,e为相反电动势。

    电磁转矩方程:式中w为角速度,单位为rad/s。可以看到,BLDC的电磁转矩和普通直流电机类似,其输出转矩大小与磁通大小和电流幅值成正比,因此控制逆变器输出的电流幅值即可控制输出转矩

    运动平衡方程:式中B为摩擦系数,w为角速度,TL为负载转速,dw/dt为加速度,J为转动惯量。

    其等效电路如下图所示:可以看到BLDC是基于每相电路去分析的,都是一个电阻负载和一个电感负载,三相以星接的方式接在一起。因此也有重点电压方程为:

    3 驱动方式(调制模式之间的区别)

    我想第三点大家最关心的就是BLDC和PMSM在发波方式上的区别了,其实控制器大都是PI调节器,我有了这个控制指令之后,如何驱动逆变器呢?BLDC和PMSM也是存在比较大的区别的,害,调制是最难的,处理恐惧的方式最好的就是面对它。干就完事儿了。两者的功率回路是一样的,这也意味着驱动BLDC的主回路也可以驱动PMSM。

    首先PMSM的驱动发波方式,主要以FOC/SVPWM为主,SVPWM的理论基础是平均值等效原理,即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合,使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻,电压矢量旋转到某个区域中,可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加,从而控制各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转,通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆,并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM波形。这个有很多地方都有详细的解释,推荐一个大佬是解释,大佬就是大佬,详细具体,感谢他们的工作。

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/47766452

    而BLDC就和这个有着明显的差距,主要存在以下6中PWM发波方式,

    第一种:on_pwm,120周期内的前60周期恒通,后60°斩波PWM调制。ABC三相同理。

    第二种:pwm_on,120周期内的后60周期恒通,前60°斩波PWM调制。

    第三种:H_pwm_L_pwn,是全120全调制。

    第四种:H_pwm_L_on,上管调制,下管恒通。

    第五种,H_on_L_pwm,上管调制,下管恒通。

    第六种:H_L_pwm,上下管交替调制。

    在这六种调制方法中,( c)和(f〉称为“双斩”方式,即两个开关管都进行斩波;其余四种都叫“单斩”方式,即一个开关管恒通,另外一个进行斩波。单斩方式中,只斩上臂( d)或只斩下臂(e)这两种方式实现较容易,但是会造成上下管的发热不均匀。而(a)(b)这两种单斩方式的开关损耗与(d)(e)相同,但是在两管中平均分配。双斩方式( c)中,开关损耗是单斩方式的两倍,降低了控制器的效率,并且发热增加了--倍。因此这种调制方式用的很少(f)中利用两个管子轮流进行调制,上下两管的开关损耗相同,并且等效的开关频率增加了一倍,特别是在一些器件的开关频率较低的情况下,可以采用这种方法来提高等效开关频率,是一种较理想的调制方法。

    小结:

    无刷直流电动机和永磁同步电机追根朔源其实是一种电机,结构上相同,只是由于驱动电流方式的不同,所以也有了各种不同的特性。在降低成本的前提下,也相应的降低了性能,需要通过特定的控制策略对其进行优化。

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     永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程(PMSM)(一)

    无刷直流电动机矢量控制(一)——无刷直流电机(BLDC)与永磁同步电机(PMSM)的相同点和区别

    无刷直流电动机矢量控制(二)——无刷直流电机的工作原理及其内部结构

    无刷直流电动机矢量控制(三)——位置检测和换相

    无刷直流电动机矢量控制(四)——simulink仿真搭建(让电机动起来)

    无刷直流电动机矢量控制(五)——开环调速原理(方波形式)

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  • 1 2005 ,27( 1) :23~25 电气传动自动化 ELECTRIC DRIVE AUTOMATION 2005年 第 27 卷第 1 期 第 23 页 基于 MATLAB 的无刷直流电动机控制系统仿真 叶振锋 , 雷淮刚 (上海大学 , 上海 200072) 摘要:在分析了无刷直流...

    文章编号 :1005 —7277(2005) 01 —0023 —03 Vol. 27, No. 1 2005 ,27( 1) :23~25 电气传动自动化 ELECTRIC DRIVE AUTOMATION 2005年 第 27 卷第 1 期 第 23 页 基于 MATLAB 的无刷直流电动机控制系统仿真 叶振锋 , 雷淮刚 (上海大学 , 上海 200072) 摘要:在分析了无刷直流电动机 (BLDCM) 数学模型的基础上 ,用 MATLAB 建立了无刷直流电动机控制系统的仿真模型 ,对系统进行了仿真和分析 ,给出了仿真结果 ,验证了数学模型的有效性及控制系统设计的合理性。关键词 : 无刷直流电动机 ; 仿真 ; 数学模型 ; 控制系统 中图分类号 : TM921. 5 文献标示码 : A Simulation of BLDCM control system based on MATLAB YE Zhen-feng , LEI Huai-gang ( Shanghai University , Shanghai 200072 , China) Abstract: Basedon mathematical model ofBLDCMcontrol system,the simulative model of systemis build,simulatedandana2lyzed basedon MATLAB. The resultispresentedandproved the mathematical model is validand the control systemis rational. Key words: brushless direct current motor; simulation; mathematical model ; control system 1 引言 无刷直流电动机由于转子采用永磁材料励磁 ,无励磁损耗 ,具有体积小、重量轻、结构简单、维护方便、运行可靠、高效节能易于控制等优点 ,同时 ,无刷直流电动机是利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器 , 因此 , 使无刷直流电动机保留了普通直流电动机优良的机械特性 ,从而在军民各个领域得到了广泛应用。与此同时 ,对无刷直流电动机控制系统的性能也提出了更高的要求。常建立无刷直流电动机控制系统的仿真模型来验算各种控制算法 ,优化整个控制系统 ,可以在短时间内设计出预期效果的控制系统。本文在分析方波驱动无刷直流电动机的数学模型的基础上 , 用 Matlab6. 5下的 PSB、Simulink和 S- FUNC2TION建立无刷直流电动机控制系统的仿真模型 , 并 通过对实例电机的仿真 ,给出了各种仿真波形。从而验证了数学模型的有效性及控制系统的合理性。 2 无刷直流电动机的数学模型 无刷直流电动机是由电力电子开关逆变器、永磁同步电动机和磁极位置检测电路等组成。假定无刷直流电动机工作在二二导通、三相六拍工作方式; 定子绕组为 60°相带整距集中绕组 , Y形连接; 忽略磁路饱和 ,不计涡流和磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组 ,永磁体也不起阻尼作用; 不考虑电枢反应 ,气隙磁场分布为梯形波 ,平顶宽为 120°电角度;忽略齿槽效应 , 三相绕组完全对称均匀分布于光滑定子的内 表面。由此可建立无刷直流电动机动态数学模型。 2. 1 电压方程 ua ub uc = Ra 0 0 0 Rb 0 0 0 Rc · ia ib ic + d dt La Lab Lac Lba Lb

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  • 相信很多同学刚开始学习无刷直流机的时候,都比较困惑其具体的工作原理,在这里一起梳理一下。(本文图片来源于飞思卡尔公司技术文档PZ104) 1 BLDC工作原理 首先我们看上面这张图,当两头线圈通电的时候,根据...

    相信很多同学刚开始学习无刷直流机的时候,都比较困惑其具体的工作原理,在这里一起梳理一下。(本文图片来源于飞思卡尔公司技术文档PZ104)

    1 BLDC工作原理

    首先我们看上面这张图,当两头线圈通电的时候,根据右手螺旋定则用右手握住通电螺线管,四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所致方向为N极)。受到磁场作用,中间的转子(永磁体)会尽量使自己内部的磁力线和外部的磁力线方向保持一致,因此转子会运动起来。转子的运动方向,与通电螺线管的电流方向有关,上图所示的通电方向转子为顺时针转动。

    当转子位置旋转到水平位置时,转子所受力矩为0,但是由于惯性的作用,此时电机的转矩会继续顺时针转动,如果在这个时候,将电流的方向反向,那么电机的转子将会继续按照顺时针转动,如下图所示。顺便提一句,这个地方的原理让我想到了BLDC检测电路中的过零点检测回路,相信与这个关系较大。如果我们不管的在转子过水平的临界点进行电流换向,那么电机的转子就会持续的旋转起来。改变电流方向的这个操作,就叫做换相。很多时候,如果不探寻到电机转子运动的原理上去,其实很难理解为什么电机需要换相操作,我也是今天梳理才知道这个地方为什么需要这么做。

    这里需要注意的一个地方:换相操作,只和电机的转子位置有关,与电机的转速没有关系。

    2 内部结构和实际运行过程

    电机的内部肯定不会是这么简单的直流结构,电机内部一般是通过三相线圈绕组,并通过星接或者角接的形式结合在一起,那么涉及的供电方式就会比上面的原理更复杂。下图为一个较为普遍的三相两极星接的一个电机内部结构。

    从图中可以看出,三个绕组通过中心点Y连接在一起。整个电机就引出三根线ABC,当他们两两通电时,就会构成第一节里面的小单元,一共有6种情况,AB\AC\BC\BA\CA\CB(这里需要注意一个点,AB和BA虽然都是A和B两相通电,但是电流方向不同,所以取得的效果也不同)。上述六种情况会产生六种不同的工作磁路,如下图所示。以其中一个为例进行分析,当AB通电时,且A为正极,B为负极,根据右手螺旋定则,A相产生的磁场方向如红色箭头所示,B相线圈产生的磁场方向如蓝箭头方向所示,那么电机就会产生绿色的箭头方向的合成磁动势。电机的永磁体转子就会向着绿色箭头所在位置旋转。在这六种状态中,按照特定的顺序切换,电机就会持续的旋转起来。(转子的位置就在中心)

    小结:

    1、通电导体在磁场中受力,通电线圈会产生磁场,是电机运行的基本物理原理。

    2、永磁体转子会在磁场的作用下,跟随通电线圈的磁力线方向运动,在转子位置到达水平时,更改电流方向,也就是更改磁力线方向,电机能够旋转起来。

    3、在三相电机中,整个360°存在6中相位状态AB\AC\BC\BA\CA\CB,不同状态对应不同的磁动势位置,在空间中呈60°间隔份部,从而使得电机能够实现旋转。

    这一节内容呢,我认为是较为关键的,因为我们学过PWM知道的,调制的原理要结合电机本体的磁场控制,所以对于BLDC而言,了解了他的具体工作原理,有助于我们后面去对他进行控制,嘿嘿,当然复杂的控制理论前,调制是最为关键的异步,需要学会发波,发出能够让电机旋转的PWM,那么后面的就不愁了。

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    2019-04-21 16:34:31
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    2019-12-25 21:06:28
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    千次阅读 2020-12-09 20:08:03
    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。无刷直流电动机,也被称为无刷直流电动机,提供了许多与之相比的有刷直流电动机的优点。无刷直流电动机具有更高的效率和更低的维护费用,这就是为...

    视频1摘要:

    BLDCs的内部工作原理;如何使用Simscape Electrical在Simulink®中模拟BLDC™ 并研究其反电势电压的形状;如何使用六步换向(梯形控制)控制无刷直流电动机;无刷直流电动机和永磁同步电动机通常分别采用梯形控制和磁场定向控制

    正文:

    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。无刷直流电动机,也被称为无刷直流电动机,提供了许多与之相比的有刷直流电动机的优点。无刷直流电动机具有更高的效率和更低的维护费用,这就是为什么在过去的几十年里,它们已经在许多应用中取代了有刷电动机。

    这两种类型的电动机都是基于相似的原理运行的,即旋转运动是通过永磁体和电磁铁的磁极的吸引和排斥而产生的。然而,这些电动机的控制方式却截然不同。无刷直流电动机需要一个复杂的控制器来将直流电转换成三相电压,而有刷电动机可以很容易地由直流电压控制。

    在这里,我们将向您展示一个刷直流电机的简单动画。通过将直流电流通过线圈绕组,我们就可以用这些磁极产生电磁铁。这些磁极与永磁体的磁极相互作用,使转子旋转。注意,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磁极,这是通过切换线圈绕组中电流的极性来完成的。这种相位转换称为换向。在有刷电机中,当电机旋转时,电刷与转子的换向器接触时,发生机械换向。由于这种物理接触,电刷会随着时间的推移而磨损,影响电机性能。

    无刷直流电动机通过用电子驱动换向代替机械换向,克服了有刷电动机的缺点。为了更好地理解这一点,让我们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的有刷电机,因为永磁体现在变成了转子,而线圈绕组变成了定子。有些电机的磁铁布置不同,定子可能有不同数量的绕组,转子可能有多个极对。除了不同的配置,你也可能会遇到类似的结构电机,永磁同步电机PMSM。

    EMF back-electromotive force反电动势:直流电动机最初启动时,励磁绕组建立一个磁场,电枢电流产生另一个磁场,两磁场相互作用,启动电动机运行。电枢绕组在磁场中旋转,因此产生发电机效应。实际上旋转电枢产生一个感应电动势,与电枢电压极性相反,这种自感应电动势称为反电动势。emf通常表示电动势,但由于它不是物理意义上的“力”,所以起不到任何帮助,但反电动势仍然在电动机里作为自感应电动势应用。反抗电流通过或反抗电流变化的电动势叫反抗电动势。当电机设计完毕,转子磁场与定子绕组的匝数都是确定的,因此唯一决定反电动势的因数是转子转速,随着转子速度的增加,反电动势也随之增加。当电动机匀速运行时可以显著地减小电枢电流。气隙会影响绕组的磁通大小,从而也会影响反电动势。

    无刷直流电动机和永磁同步电动机被定义为转子中装有永磁体的同步电动机。BLDC和PMSM的关键区别在于反电动势电压的形状(纵轴气隙磁通,横轴转子转速)。电动机旋转时起发电机的作用。这意味着在定子中感应到反电动势电压,它与电机的驱动电压相反。反电动势是电机的一个重要特性,通过观察其形状,我们可以知道我们有什么类型的电机,它也决定了我们需要使用的控制算法的类型来控制我们的电机。无刷直流电动机具有梯形形状,通常采用梯形控制。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在电动机控制团体中可以互换使用,这可能会引起反电动势曲线的混淆。但是在这个视频系列中,我们将把梯形反电动势的电动机称为BLDC,将具有正弦反电动势的电动机称为PMSM

    观察反电动势形状的一个简单方法是使用模拟。我们可以模拟具有开路端子的单极对无刷直流电动机。这意味着没有一个线圈被驱动。但是我们可以施加一些转矩来旋转转子,使它像发电机一样,然后测量a相的电压,这将给我们a相的反电动势。正如你在这个范围内看到的,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动机。

    接下来,我们将讨论电机的内部工作原理。为此,我们将使用一个简单的配置,其中转子仅由一个单极对组成,定子由三个间隔120度的线圈组成。线圈可以通过电流来通电,我们称之为相位a、B和C。转子的北极显示为红色,而蓝色代表南极。

    目前,没有一个线圈通电,转子静止不动。在两相之间施加电压,A和C沿虚线产生一个组合磁场。因此,转子现在开始旋转,与定子磁场对齐,如动画所示。

    线圈对通电有六种可能的方式。通过一次换向两个相位,我们可以使定子磁场旋转,这将导致转子转动并最终到达动画中显示的位置。转子角度是相对于水平轴测量的,有六个不同的转子对中,每个转子彼此相距60度。这意味着,如果我们每60度换一个正确的相位,我们就可以使马达旋转。这被称为六步换向,或梯形控制。注意,对于更多的极对,换相发生的频率更高。为了使电机在正确的时间和正确的相位进行正确的换向器,我们需要知道转子位置,这通常是用霍尔传感器测量的。

    让我们来讨论一下两极是如何相互作用的。这里,箭头表示相对磁力,箭头厚度表示磁场强度。这两个相同种类的磁极互相排斥,使转子逆时针转动。同时,对极相互吸引,转子继续朝同一方向转动。一旦它完成60度的旋转,下一个换向发生。让我们也展示一下我们之前在动画中讨论过的定子磁场。正如你所看到的,换相发生的方式,转子永远不会与定子磁场对齐,而是总是追逐磁场

    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美对齐时,电机产生零转矩。所以我们从不让他们对齐。第二,当磁场相互成90度时,就会产生最大扭矩。所以我们的目标是使这个角度接近90度。然而,在无刷直流电动机中,采用六步换向时,永磁同步电动机始终不能达到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。但是更先进的技术,如磁场定向控制,如我们之前讨论过的,通常用于控制永磁同步电动机,可以通过在定子和转子磁场之间达到90度来产生更大的转矩。

    为了控制六步换向的相位,使用三相逆变器将直流电功率转换为三相电流,并在动画中用红色和蓝色显示。要向其中一个相提供正电流,需要打开高压侧连接到该相的开关。对于负电流,需要打开低压侧开关。恒压由三相逆变器转换,使电动机保持恒定速度。但是为了控制电机在不同的速度,我们需要能够调整施加的电压。一种方法是使用PWM。但我们将在接下来的视频中更详细地讨论这个问题。有关无刷直流电机的更多信息,别忘了看看下面的视频链接。

     

    视频2摘要:

    观看此视频,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件是如何工作的,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转矩响应的波动,并让你直观地了解inductive flyback感应反激的概念。

    正文:

    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。

    在前面的视频中,我们介绍了一种无刷直流电机,它的定子有三个线圈绕组,转子中有一个单极对。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度换流一次,以使电机连续旋转。

    这里,我们有一个直流电压源,它为三相逆变器提供恒定的电压,它将直流功率转换为三相电流,从而为不同的线圈对供电。当外加电压恒定时,由于电压和速度之间的比例关系,电机以恒定速度转动。但是,如果我们想控制不同速度下的电机,那么我们需要建立一个控制器来调整施加电压的大小。让我们先构建一个这个控制器的图。

    这是我们的马达。为了控制它,我们首先需要使用诸如霍尔效应传感器之类的传感器来测量它的角位置和速度。请注意,霍尔传感器不能准确提供转子在扇区内的位置的信息。但它可以检测转子何时从一个扇区过渡到另一个扇区。实际上,我们只需要知道扇区信息就可以确定何时对电机进行换向。但我们仍然不知道三个相位中的哪两个需要换位。正确的相位由计算三相逆变器开关模式的换向逻辑电路指定。我们还可以直观地看到这些块是如何相互作用的。在换向逻辑表中,字母A、B和C代表电机的三相;三相逆变器的高压侧标有H,低压侧标有L。要了解逆变器的开关和BLDC换向是如何基于换向逻辑工作的,让我们用之前的动画来代替这一部分。如果转子在第一扇区内,换向逻辑选择该开关模式,该模式指示A相高压侧开关和C相低压侧开关的接通状态。当转子过渡到其他扇区时,相应地选择一个开关模式并发送至三相逆变器。

    我们现在要知道,在旋转的过程中,每一个相位都要通电。我们的下一个目标是使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到逆变器,这导致恒定的速度,正如我们前面讨论过的。我们可以用一个合适的控制器闭合回路来调节这个电压。根据期望转速和实测转速之间的差值,控制器将调整电压,使电机转速接近所需值。这里需要注意的是,换向逻辑也属于控制算法,图中以浅蓝色显示。物理系统的所有组成部分都以浅灰色显示。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,这里我们假设我们正在以一种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。如果你想学习如何建立这个模型,别忘了看看下面的视频链接。彩色方框显示控制算法的不同部分如何映射到Simulink模型中的子系统。该模型记录诸如速度、电压、电流和转矩等信号。为了探索这些,让我们运行模型,首先查看期望的速度。正如您在这里看到的,它以100 rpm的增量从100 rpm上升到500 rpm。如果我们现在看电压,我们会看到控制器如何调整电压,使电机以所需的速度旋转,如测量的速度所示。

    我们马上注意到的一件事是速度信号中的波纹。这里我们有另一个图,显示了转子在扇区之间的过渡。同时观察扇区和速度图,我们发现速度波动与换向有关,因为波纹模式与每个换向周期的开始一致。记住减刑期间发生的事情。其中一相被拉高,另一相拉低,第三相开路。如果换相期间三相电流如图所示发生变化,那么我们就不会观察到速度上的任何波动模式。但实际上,当我们驱动一个相位时,电流不会瞬间改变。看看三相电流,我们可以看到它们是如何随着时间的推移而上升的,这反过来又会导致速度的波动。速度并不是唯一受影响的信号,但我们也观察到转矩响应中的波纹,因为电流和转矩成比例相关。转矩响应的波动被认为是无刷直流电动机梯形控制的缺点之一。

    当我们观察三相电流时,有什么东西吸引了你的眼球?当一个相从断相状态拉高时,在它再次开始上升之前,相电流会突然跳变。同时,另一个跳跃发生在换相过程中保持在低位的相位。为了更好地理解这些通电相位瞬时变化背后的原因,让我们看看这个动画。在换相过程中,随着相电流的增大,磁场在通电的相上建立起来。在换相时,这些相中的一个相,在这种情况下,相A变成开路,因此在这个断相上建立的磁场崩溃。所以相电流降到零。

    让我们倒带看看在换相的时候,B相和C相发生了什么。当具有完全建立电场的C相连接到B相时,C上的已建电场几乎瞬间崩塌,同时B相建立电场以响应崩溃。由于B相的磁场突然建立,我们观察到B相电流的跳跃。由于C相的崩塌,我们观察到电流突然减小,由于B和C处的电场在50%的场强下达到平衡,电流下降到一半。由于这些相电流的瞬时变化,我们观察到三相电压的尖峰。我们刚刚描述的这种现象叫做感应反激。

    让我们总结一下我们在这段视频中看到的。我们首先讨论了控制算法的不同元素,这些元素决定了何时对电机进行换向器,以及在换相期间给哪些相通电。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,但实际上我们需要一种方法,如PWM将恒定的直流电压转换为交流电压。在下一个视频中,我们将更新我们的控制算法,以使用PWM控制电机速度。关于马达控制的更多信息,别忘了看看下面的链接。

     

     

    视频3摘要:

    本视频讨论PWM脉宽调制和两种不同的结构来实现PWM控制,以控制无刷直流电机的速度。

    PWM是一种方波信号,在一定频率下重复。每个脉宽调制周期称为一个周期,脉宽调制信号在给定时间段内接通的时间百分比决定了占空比。有了PWM,我们就可以根据不同的电压水平调整恒定的直流电压。这有助于我们以不同的速度控制马达。视频演示了两种常见的PWM控制结构。在第一种方法中,我们使用buck变换器和PWM发生器将直流电源电压降压到三相逆变器。在第二个方案中,我们讨论了一种不同的结构,其中三相电压直接使用PWM控制进行调制。

    正文:

    在这段视频中,我们将学习什么是PWM,或脉宽调制,以及它是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节提供给三相逆变器的直流电压来控制无刷直流电动机的变速。在这个模拟中,我们使用一个理想的电压源,让我们产生不同的直流电压电平由控制器。但实际上,我们的直流电压源提供了一个固定的电压,在提供给三相逆变器之前,我们需要使用一种称为PWM或脉宽调制的技术对其进行调制。

    这是PWM信号的样子。它基本上是一个方波信号,在一定频率下重复。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或100伏。为了在不同的速度下控制电动机,我们需要0到100伏的电压值。PWM的作用就像一个开关,它接收直流电压,然后以一定频率的一系列开关脉冲将其应用到电机上。每个脉宽调制周期称为一个周期,脉宽调制信号在给定时间段内接通的时间百分比给出了占空比。例如,如果我们有一个占空比为50%,这意味着在每个周期中,信号有一半的时间是打开的,而另一半是关闭的。当我们用这个驱动电机时,电机看到的有效电压将是这个PWM信号的平均值,即50伏。我们能够获得100伏的直流电压,并以50%的占空比脉冲它,产生50伏的电压。

    现在,如果你继续改变占空比,你可以不断地调制这个信号,并在0到100伏之间创建不同的值范围,以控制你的电机在不同的速度。注意,占空比越长,我们得到的电压就越高。现在我们知道PWM控制对电机所看到的输出电压有一个平均效应。为了使这种平均效应正确,我们在选择PWM频率时要小心,这个频率是按1/周期计算的。如果开关频率太低,而不是看到平均电压,电机将看到一个电压,试图遵循方波形状。这将导致基准速度跟踪不良,电机将继续加速和减速。但是,当PWM频率提高到一定的合理值时,电压会被平均化,从而提高调速性能。注意,由于PWM的开关特性,会产生波纹。通常,控制无刷直流电机的PWM频率在几千赫兹左右,需要选择比电机时间常数的倒数高得多的PWM频率。

    既然我们已经从概念上讨论了PWM,我们将研究两种用于实现PWM的常见架构。这是第一个。在这个模型中,我们希望无刷直流电机跟踪一个期望的速度,从0逐渐上升到600转/分。这个模型由我们在前面的视频中看到的类似的模块组成,除了这个部分,我们使用buck转换器来实现PWM控制。buck变换器用于调节直流电源电压到不同的电压水平,从而能够控制无刷直流电动机的不同转速。在这个模拟中,buck转换器的输入是由这个直流电压源块提供的,它提供500伏电压。让我们看看这个子系统的内部,了解buck转换器是如何工作的。我们在这里看到的是一个PWM发生器,它在1千赫时产生方波信号。如果我们往上看,我们会看到PWM发生器的输入是占空比,这是由控制器决定的。PWM发生器产生的信号在0和1之间波动,控制buck变换器两个开关的通断时间。根据这个持续时间,我们观察到在buck转换器的输出端有不同数量的电压降。

    在这里,我们测量两个电压:一个在buck变换器的输入端,即直流源电压,另一个在buck变换器的输出端,它为我们提供调制后的直流电压,然后提供给三相逆变器。现在,我们运行这个模型,看看这两个电压,以及参考和测量的速度。

    在上面的图中,我们看到直流电源电压是500伏。第二部分给出了buck变换器调制的直流电压。作为电压调制的结果,我们可以在这里看到的不同速度下控制电机。在这里,测量的速度显示为橙色,它成功地跟踪了以绿色显示的所需速度。

    我们讨论了使用这种结构的无刷直流速度控制,其中一个PWM发生器和一个buck变换器一起为三相逆变器提供一个调制的直流电压。让我们来看看第二种架构,看看PWM控制是如何在这个架构中实现的。我们注意到的第一件事是这个模型没有使用buck转换器。在第一个模型中,我们调节提供给三相逆变器的电压。但是在这个模型中,我们直接调节相电压。在这里,PWM是在换流逻辑子系统下使用的,我们将在下一步更详细地了解。

    这是PWM发生器。根据我们在这里看到的这个逻辑,PWM发生器输出确保直流电源电压脉冲接通和断开,从而根据转子所在的扇区为正确的相位供电。要理解电压调制是如何进行的,最简单的方法就是模拟这个模型并观察相电压。现在,我们运行这个模型,看看速度,扇区,a相和C相的电压。如速度图所示,在这个区域,速度是恒定的。所以,让我们放大这里,以便更好地了解,当电机以恒定速度运行时,相电压是如何变化的。根据这个逻辑,当转子位于扇区1时,这两个输入被选择。这一个分别命令a和C相的高和低信号。这个输入正好相反,它向a发送低信号,向C发送高信号。PWM发生器根据占空比在这两种状态之间切换,因此,我们在这里看到a相和C相电压是如何在+/-250伏(即+/-DC电源电压/2)之间脉冲开启和关闭的。当相位电压被这样调制时,电机所看到的有效电压将被平均。

    记得在前面我们讨论过反电动势是如何在非换相阶段产生的。图中所示的反电动势电压为我们提供了一条关于电机所看到的平均电压的线索。例如,当A相未被换流时,这是A相反电动势电压,它告诉我们,在整个区域内,电机看到的A相电压约为25伏,而电机看到的C相电压约为-25伏。利用这条线索,我们可以简单地计算出在其余的换相过程中,有效电压是多少。

    总之,我们讨论了PWM的概念,以及它是如何用来控制变速无刷直流电动机的。我们还讨论了两种常见的PWM实现方式,并对这些模型进行了仿真,以便更深入地了解PWM控制过程中的电压和速度特性。

     

     

    视频4FOC控制见其他文章

     

    【转】BLDC和PMSM的差别

    应该说BLDC和PMSM的差别真的难说,有时候取决于应用了。 传统的说法是他们的反电动势不同,BLDC接近于方波,PMSM接近于正弦波。 

    控制上来说BLDC一般使用6节拍的方波驱动,控制方波的相位和倒通时间,PMSM采用FOC。 性能上来说BLDC的输出功率密度会大点,因为BLDC的转矩充分利用了谐波,也因此BLDC的谐波会严重点 。

     

    无刷直流电机的电机本体:定子绕组为集中绕组,永磁转子形成方波磁场; 

    永磁同步电机的电机本体:定子绕组为分布绕组,永磁转子形成正弦磁场; 

     

    无刷直流电机的位置传感器:低分辨率,60度分辨率,霍尔元件,电磁式、光电式; 

    永磁同步电机的位置传感器:高分辨率,1/256,1/1024,旋转变压器,光码盘; 

     

    无刷直流电机:120度方波电流,采用PWM控制; 

    永磁同步电机:正玄波电流,采用SPWM  SVPWM控制。     

     

    无刷直流电机:磁钢为方波充磁,控制电压PWM也为方波,电流也为方波。一个电周期有6个空间矢量。控制简单,成本低,一般的MCU就可实现。 

    永磁同步电机:磁钢为正弦波充磁,反电动势也为正弦波,电流也为正弦波。一般采用矢量控制技术,一个电周期一般最少会有18个矢量(当然越多越好),需要高性能的MCU或DSP才能实现。 

    直流伺服:这个范围就很广了啊。直流伺服,指直流电机再控制系统的控制下,根据控制指令(转速、位置、角度等)来进行动作,一般用于执行机构。 

     

    直流无刷电机(BLDC):位置传感器,如霍尔等; 

    永磁同步电机(PMSM):速度和位置传感器,如旋转变压器、光电编码器等; 

     

    反电势波形BLDC :近似梯形波(理想状态);

    反电势波形PMSM :正弦波(理想状态 );

     

    三相电流波形BLDC :近似方波或梯形波(理想状态);      

    三相电流波形PMSM :正弦波(理想状态 )

     

    控制系统BLDC:通常包括位置控制器、速度控制器和电流(转矩)控制器;          

    控制系统 PMSM:不同控制策略的会有不同的控制系统;

     

     设计的原理与方法BLDC:尽量拓宽反电势波形的宽度(使之近似为梯行波); 

    设计的原理与方法PMSM:使反电势接近与正弦波; 

     

     

     

     

     

     

     

     

    参考文献:

    [1] Motor Control, Part 1: An Introduction to Brushless DC Motors Video - MATLAB & Simulink  https://ww2.mathworks.cn/videos/brushless-dc-motors-introduction-1564728874059.html?s_tid=srchtitle

    [2] BLDC和PMSM电机的区别_从入门到放弃_新浪博客  http://blog.sina.com.cn/s/blog_7880d3350102x5wk.html

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空空如也

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