BLDC 电机控制

通过仿真开发 BLDC 电机控制算法

由于比机械换相电机(即“有刷”电机)提供的电效率和扭矩重量比更高,电子换相电机(即“无刷”电机)越来越受欢迎。无刷直流 (BLDC) 电机通常被定义为一种永磁同步电机 (PMSM),因采用集中式绕组,会产生梯形反电动势。这是它区别于其他 PMSM 电机的地方,后者因采用分布式定子绕组,产生的是正弦反电动势。

比较 BLDC 电机和 PMSM 电机运行的 MATLAB 动画。动画基于 Simscape Electrical 模型的仿真结果。

无刷直流电机通常使用梯形控制,但也会使用磁场定向控制。而普通 PMSM 电机通常仅使用磁场定向控制。梯形 BLDC 电机控制比磁场定向控制更简单,这种方法每次只有两相通电,扭矩控制仅需一个 PID 控制器,并且与磁场定向控制不同,它无需使用帕克和克拉克变换进行坐标变换。

比较一对极和两对极的 BLDC 电机运行的 MATLAB 动画。动画基于 Simscape Electrical 模型的仿真结果。

要设计一个采用梯形方法的 BLDC 电机控制器,电机控制工程师需要执行下列任务:

  • 为内部电流/电压环开发一个使用单 PI 控制器的控制器架构
  • 为外部速度环或位置环开发 PI 控制器
  • 调节所有 PI 控制器的增益以满足性能要求
  • 设计 PWM 控制
  • 设计故障检测和保护逻辑
  • 验证和确认不同工况条件下的控制器性能
  • 在微处理器上实现定点或浮点控制器

通过使用 Simulink® 进行 BLDC 电机控制设计,您可以在硬件测试之前使用多速率仿真来设计、调节和验证控制算法,以及检测和修正在电机的整个工作范围内出现的错误。通过 Simulink 仿真,您可以减少原型测试工作量,并针对一些故障条件(在硬件上测试这些故障条件不可行)来验证控制算法的稳健性。您可以:

  • 构建具有梯形或任意反电动势的 BLDC 电机模型
  • 对电流控制器、速度控制器和调制器进行建模
  • 对逆变器电力电子器件进行建模
  • 使用线性控制设计技术(例如波特图和根轨迹图)和 PID 自动调优等技术来调节 BLDC 电机控制系统增益。
  • 对模型启动、关闭和错误模式进行建模,并设计降额和保护逻辑来确保安全运转
  • 设计 I/O 信道的信号调节和处理算法
  • 运行电机和控制器的闭环仿真以测试正常和不正常工况下的系统性能
  • 自动生成 ANSI、ISO 或针对处理器优化过的 C 代码和 HDL,以实现快速原型、硬件在环测试和生产

使用仿真模型减少电机控制开发时间

通过浏览交互式示例和教程,从基本任务向更高级演练进阶。

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