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无刷直流电机控制方面的知识点有哪些?

作者: 深圳顺力电机发表时间:2022-05-25 15:13:20浏览量:391

今天,小编将为大家详细聊聊无刷直流电机控制方面的知识点,大家请看详情: 01. 概述 从简单的钻机到复杂的工业机器人,许多机器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BLDC电机,...

今天,小编将为大家详细聊聊无刷直流电机控制方面的知识点,大家请看详情:

01.

概述

从简单的钻机到复杂的工业机器人,许多机器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BLDC电机,相比有刷直流电机具备诸多优势。BLDC电机更高效,所需的维护更少,因而已在许多应用中取代了有刷电机。

两类电机的运行原理相似,均由永磁体和电磁体的磁极吸引和排斥产生旋转运动。但这些电机的控制方式却大不相同。BLDC需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压,而有刷电机可以通过调节直流电压来控制。

02.

直流电机的类型

1、传统有刷直流电机

在有刷直流电机中,直流电流通过转子的线圈绕组,使电磁体产生极性。这些转子的磁极与固定永磁体(称为定子)的磁极相互作用,从而使转子旋转。

• 转子每转动半圈之后,需要切换线圈绕组中的电流极性,以对调转子磁极, 使电机保持旋转状态。

• 这种电流极性的切换被称为换相。

• 换相通过机械方式实现:转子旋转的每个半圈中,电触头(称为电刷)与转子上的换相器连成一个回路。

• 这种物理接触会导致电刷随着时间推移而磨损,从而导致电机无法工作。

2、无刷直流电机

BLDC电机采用电子换相来代替机械换相,克服了有刷电机的上述缺陷。为了更好地理解这一点,有必要进一步了解BLDC电机结构。BLDC 电机与有刷电机构造相反,其永磁体安装在转子中,而线圈绕组则成为定子。

电机的磁体布局不尽相同,定子可能具有不同数量的绕组,而转子可能具有多个极对。

3、仿真 BLDC 电机以观察反电动势曲线

BLDC 电机和 PMSM的结构类似,其永磁体均置于转子,并被定义为同步电机。在同步电机中,转子与定子磁场同步,即转子的旋转速度与定子磁场相同。

它们的主要区别在于其反电动势(反 EMF)的形状。电机在旋转时充当发电机。也就是说,定子中产生感应电压,与电机的驱动电压反向。反电动势是电机的重要特征,因为其形状决定了对电机进行最优控制所需的算法。

BLDC电机的设计使其反电动势呈梯形,因此一般采用梯形换相控制。BLDC 梯形反电动势 采用梯形换相控制。

PMSM 的反电动势呈正弦波形,因此采用磁场定向控制。PMSM 正弦反电动势采用磁场定向控制。

在电机控制领域,PMSM BLDC 这两个术语有时会被混用,这可能导致对其反电动势曲线的混淆。本文将 BLDC 电机严格限定为具有梯形反电动势的电机。

如果施加扭矩带动转子,电机将充当发电机。您可以测量 A 相电压随时间变化的情况,从而观察电机的反电动势形状。电压波形显示 BLDC电机的反电动势呈梯形,其中部分区域电压持平。

4、六步换相

为了更好地理解施加外部电压时 BLDC 电机的行为,我们将使用前面介绍的配置,其中转子由单极对组成,而定子由夹角为 120 度的三个线圈组成。让电流通过线圈,给线圈(此处称为 A 相、B 相和 C 相)通电。转子的北极用红色表示,南极用蓝色表示。

一开始,线圈没有通电,转子处于静止状态。在A相与C相之间施加电压,即会沿虚线产生复合磁场。这使转子开始旋转,从而与定子磁场对齐。

线圈对共有六种通电方法,每次换相后,定子磁场相应旋转,从而带动转子,使之旋转至图示位置。转子角度是相对于水平轴而言的,转子共有六种对齐方式,两两相差 60 度。

也就是说,如果每 60 度以正确的相位执行一次换相,电机将连续旋转,此类控制被称为六步换相或梯形控制。

5、电机和扭矩产生

相同磁极相互排斥,从而使转子逆时针旋转。同时,相反磁极相互吸引,从而在同一方向增加扭矩。

转子完成60度旋转后,发生下一次换相。

BLDC电机中采用这种方式换相有两个原因。首先,如果允许转子和定子磁场完全对齐,此时产生的扭矩为零,这不利于旋转。其次,磁场夹角为90度时可产生最大扭矩。因此,目标是使该夹角接近90度。

6、三相逆变器的工作原理

为了在六步换相过程中控制相位,可使用三相逆变器将直流电引导到三个相,从而在正(红)负(蓝)电流之间切换。为了向其中一个相供应正电流,需要打开连接到该相的高端开关,要供应负电流,则需要打开低端开关。

那么有关无刷直流电机控制方面的知识点我们就讲到这里了,希望对大家有所帮助~

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