按照最常用的定义,无刷直流电机有两种,一种是梯形波反电动势无刷直流电机,也就是通常说的BLDC,另一种是正弦波反电动势无刷直流电机,也就是PMSM。本文只研究梯形波反电动势无刷直流电机,也就是BLDC的建模和仿真。
虽然没有PMSM控制精度高、转矩波动小,但是BLDC控制算法简单、成本低,在对转矩脉动要求不高的场合也有很广泛的应用。
最常见的无刷直流电机,其原理简单来说如下图所示:
1.1 定子和转子
定子和转子的结构如下图所示:
转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面或者嵌入铁心内部构成。梯形波反电动势无刷直流电机采用瓦形磁极来产生梯形的磁通密度,从而产生梯形波反电动势;而正弦波反电动势无刷直流电机采用抛物线状永磁体来产生正弦波磁通密度。
1.2 位置传感器
无刷直流电机利用电子换向器代替了有刷直流电机的机械换向器,一般来说需要位置传感器检测转子磁极位置,为电子换向器提供换向时刻信息。而在电机中加入位置传感器会增加电机体积、增加成本,所以无位置传感器的BLDC控制技术是现在的研究热点。无位置传感器无刷电机需要通过综合其他信息来提供换向时刻,例如最常用的是利用反电动势过零点进行换向。然而启动时转速较低,反电动势很小基本检测不出来,所以一般都采用三段式开环启动。而开环启动会导致低速转矩较小,机械特性偏软,通常会导致带载启动失败甚至反转的情况。针对这一点,过内外都有许多文献提出了许多解决方案:
1.3 三相逆变器
驱动无刷直流电机的三相逆变电路也有很多种选择,例如半桥式、全桥式、H桥式等。
半桥式
三相半桥式电路结构如下图所示:
全桥式
三相全桥式逆变电路结构如下图所示:
H桥式
H桥式单相电路结构如下图所示:
1.4 传递函数
以三相全桥驱动、两两导通的方式为例,推倒无刷直流电机的传递函数。无刷直流电机通常用于调速应用,所以这里的传递函数表示的是直流母线电压与电机角速度之间的关系。
首先需要推倒电机的微分方程,以A相为例,相电压为:
在Matlab中输入power_brushlessDCmotor就可以得到永磁无刷直流电机的仿真模型如图所示:
[1] 夏长亮. 无刷直流电机控制系统[M]. 科学出版社,2008.
[2] Gabriel Haines, Nesimi Ertugrul. Wide Speed Range Sensorless Operation of Brushless Permanent Magnet Motor Using Flux Linkage Increment[J]. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2016.
[3] Pardeep Narwal, Umesh Gupta. Indirect Back-Emf Detection Methods for Sensorless Speed and Position Control
of BLDC Motors[J]. International Journal of Enhanced Research in Science Technology & Engineering, 2014.
[4] Tae-Hyung Kim, Mehrdad Ehsani. Sensorless Control of the BLDC Motors From Near-Zero to High Speeds[J]. IEEE RANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2004.
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