1、直流無刷電機BLDCMf永磁同步電機PMSM勺比較直流無刷電機BLDCMBrushless Direct Current Motor永磁同步電機(交流無刷電機)PMSM(BLACM)Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor)1 PMSM BLDCMK同點和不同點1.1 PMSM和BLDCM勺相似之處兩者其實都是交流電機，起源不同但從結(jié)構(gòu)上看，兩者非常相似。PMSM起源于饒線式同步電機，它用永磁體代替了繞線式同步電機的激磁繞組，它的一個顯著特點是反電勢波形是正弦波， 與感應電機非常相似。 在轉(zhuǎn)子

2、上有永磁體， 定子上有三相繞 組。BLDCM起源于永磁直流電機，它將永磁直流電機結(jié)構(gòu)進行“里外翻”，取消了換相器和電刷，依靠電子換相電路進行換相。轉(zhuǎn)子上有永磁體，定子上有三相繞組。1.2 PMSM和BLDCM勺不同之處反電勢不同，PMSMI有正弦波反電勢，而 BLDCMI有梯形波反電勢。定子繞組分布不同，PMSM采用短距分布繞組，有時也采用分數(shù)槽或正弦繞組，以進一步減 小紋波轉(zhuǎn)矩。而 BLDC陳用整距集中繞組。運行電流不同，為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，PMS晞要正弦波定子電流； BLDCM1要矩形波電流。PMS麗BLDCM電勢和定子電流波形如圖1所示。圖I P1ISM和ELDCU反定勢和定子由流波形永

3、磁體形狀不同，PMSMK磁體形狀呈拋物線形，在氣隙中產(chǎn)生的磁密盡量呈正弦波分布； BLDCMK磁體形狀呈瓦片形，在氣隙中產(chǎn)生的磁密呈梯形波分布。運行方式不同，PMS陳用三相同時工作，每相電流相差 120°電角度，要求有位置傳感器。 BLDC陳用繞組兩兩導通，每相導通 1200電角度，每60°電角度換相，只需要換相點位置 檢測。正是這些不同之處，使得在對 PMS防口 BLDCM勺控制方法、控制策略和控制電路上有 很大差別。2 PMS喇BLDCMft性分析2.1 按照空間應用中最關心的特性：功率密度、轉(zhuǎn)矩慣量比、齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動、反饋元 件、逆變器容量等特性對 PMS防口 B

4、LDCMS行對比分析。2.2 功率密度在機器人和空間作動器等高性能指標應用場合，對于給定的輸出功率， 要求電機重量越小越好。功率密度受電機散熱能力即電機定子表面積的限制。對于永磁電機，絕大多數(shù)的功率損耗產(chǎn)生在定子，包括銅耗、渦流損耗和磁滯損耗， 而轉(zhuǎn)子損耗經(jīng)常被忽略。 所以對于一個給 定的結(jié)構(gòu)尺寸，電機損耗越小，允許的功率密度就越高。假設PMS防口 BLDCM勺渦流損耗、磁滯損耗和銅耗相同，比較兩種電機的輸出功率。PMSMK正弦波電流可以通過滯環(huán)或PWMfe流控制器得到，而銅耗基本上由電流決定。設正弦波電流幅管為4,則有效值為/J J5 .銅耗為3 . J5）發(fā),4為相電阻,BLDCM 中.銅

5、耗為31石為梯形波電流峰值.假設損耗相同，則可得出 / =1,15/ ,所以BLDCM輸出功率與PMSM諭出功率之比為2/7，l = 153-叵式中，"為反電勢幅值。所以，在相同的尺寸下，BDLCMW PMSM目比，可以多提供15%勺功率輸出。如果鐵耗也相同， BDLCM勺功率密度比 PMSMT提高15%2.3 轉(zhuǎn)矩慣量比在伺服系統(tǒng)中，通常要求電機的最大加速度，轉(zhuǎn)矩慣量比就是電機本身所能提供的最大加速 度。因為BDLCT以比PMSM；提供15%勺輸出功率，所以它可獲得被 PMSM 15%勺電磁轉(zhuǎn)矩。 如果BDLC PMSMI有相同速度，它們的轉(zhuǎn)子車t動慣量也相同，那么BDLC的轉(zhuǎn)矩慣

6、量比要比 PMSMk 15%2.4 齒槽轉(zhuǎn)矩和波動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩脈動是機電伺服系統(tǒng)的最大困擾，它使精確的位置控制和高性能的速度控制很困難。在 高速情況下，轉(zhuǎn)子慣量可以過濾掉轉(zhuǎn)矩波動。但在低速和直接驅(qū)動應用場合，轉(zhuǎn)矩波動將嚴重影響系統(tǒng)性能，將使系統(tǒng)的精度和重復性惡化。而空間精密機電伺服系統(tǒng)絕大多數(shù)工作在低速場合，因此電機轉(zhuǎn)矩脈動問題是影響系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。PMSMFD BLDCMfB存在轉(zhuǎn)矩脈動問題。轉(zhuǎn)矩脈動主要有以下幾個原因造成：齒槽效應和磁通 畸變、電流換相引起的轉(zhuǎn)矩及機械加工制造引起的轉(zhuǎn)矩。 a.齒槽效應引起的轉(zhuǎn)矩脈動 在永磁電機的電樞電流為零的情況下，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于定子齒槽的存在，定

7、子鐵芯磁阻的變化產(chǎn)生了齒槽磁阻轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩是交變的，與轉(zhuǎn)子的位置有關，它是電動機本身空間和永 磁場的函數(shù)。在電機制造上，將定子齒槽或永磁體斜一個齒距 ，可以使齒槽轉(zhuǎn)矩減小到額定轉(zhuǎn) 矩的1%-2%£右。或者采用定子無槽結(jié)構(gòu)，可以徹底消除齒槽效應，但這些方法都將降低電 機的出力。PMS防口 BDLC中的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動沒有明顯的差別。 b.磁通畸變和換相電流畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動 磁通畸變和電流畸變是指 PMSW氣隙磁場、反電勢和電樞電流是非正弦波，BLDCW氣隙磁場和反電勢非梯形波，電樞電流是非矩形波。 氣隙磁場和電樞電流相互作用后會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，反電動勢與理想波形的偏差越大，引起的轉(zhuǎn)矩脈動

8、越大。BLDCW，電機的電感限制了 換相時繞組電流的變化率，定子繞組電流不可能是矩形波。只能得到梯形波電流， 引起較大的轉(zhuǎn)矩波動。另外，BLDCM1子合成磁通不是平滑地旋轉(zhuǎn)，而是以一種不連續(xù)地狀態(tài)向前步 進，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通不可能是嚴格同步的，這會造成轉(zhuǎn)矩的脈動，脈動頻率為基波的6倍。而在PMSMfr產(chǎn)生正弦波電流是連續(xù)的，PMSM!想運行狀態(tài)是正弦分布的氣隙磁密同正弦繞組電流產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，而實際上，PMSM中氣隙磁密度也并非完全是正弦波分布，無疑也會引起了轉(zhuǎn)矩脈動。但它和電樞電流波形不匹配引起的轉(zhuǎn)矩波動要比BDLC中的轉(zhuǎn)矩波動小的多，況且PMSM1子合成磁通是平滑地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此PMSMJ轉(zhuǎn)

9、矩波動明顯要小于 BLDCIMc.逆變器電流控制環(huán)節(jié)引起的轉(zhuǎn)矩脈動在BLDCMK電流滯環(huán)控制器中滯環(huán)寬度和PWMfe流控制器開關頻率將引起B(yǎng)LDC岷際電流圍繞期望電流上下高頻波動，電機轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)高頻波動，通常幅度要低于換相電流引起的轉(zhuǎn)矩波動。在PMSMK也會出現(xiàn)由滯環(huán)或 PWMfe流控制器引起的高頻轉(zhuǎn)矩波動，通常比較小，并由于開關頻率較高，很容易被轉(zhuǎn)子慣量過濾掉。因此，從轉(zhuǎn)矩波動看，PMSM匕BDLCM有明顯白優(yōu)勢，BDLCMg合用在低性能低精度的速度和位置伺服系統(tǒng)。而 PMSMg合用在高性能的速度和位置伺服系統(tǒng)。2.5 伺服系統(tǒng)中的信號反饋元件PMS晡要正弦波電流，而 BLDCM1要矩形波電

10、流， 導致了反饋元件的不同。 BLDCMfr,每一 時刻只有兩相繞組導通，每相導通1200電角度，電流每60°電角度換相一次，只要正確檢測出這些換相點，就能保證電機正常運行， 在通常的機電系統(tǒng)中最常見的位置傳感器是霍爾 位置開關。在 PMSMK需要正弦波電流，電流幅值由轉(zhuǎn)子瞬時位置決定，電機工作時所有三相繞組同時導通， 需要連續(xù)的位置傳感器， 機電系統(tǒng)中最常見的位置傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器 度伺服系統(tǒng)中，只需要一個低分辨率的傳感器, 接受，BLDCM匕PMSMg適合于速度伺服系統(tǒng)， BLDCMf PMSM目比沒有優(yōu)勢。在速度伺服系統(tǒng)中仍需連續(xù)位置傳感器，空間+RDCW碼模塊或光電編碼器。B

11、LDCM勾成的速從這一點看，如果換相引起的轉(zhuǎn)矩波動可以而在位置伺服系統(tǒng)中， 由于需要位置傳感器，2.6 逆變器容量一對于給定電流逆變器 （滯環(huán)或電流逆變器，假設其連續(xù)額定電流為電機最大 反申勢為上：當驍動PUSM時, 最大可能的輸出功率為。夕，5）645戶3/72而張 動BLDCM時,最大可能的輸出功率為2;因此BLDCM最大輸出功率與PMSM時最大輸出功 率比為2"：（3燈，2）=1一33,即BLDG可窸洵出33%的功率.當然有生到BLDCU的帙嗝 增加,這個數(shù)值要小一些.2.7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同分別以空間應用常見 PMS附置伺服系統(tǒng)和 BLDCMfc置伺服系統(tǒng)為例說明主要區(qū)別。基

12、于三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的 PMSM專子磁場定向位置伺服系統(tǒng)見圖2所示。襲咫器圖二國言閆熊系蟒輪子服后W日共全沖定向圖設轉(zhuǎn)子位置角6 ,則逆變器物月的定子三相電流紿定璘時值應為4 ¥口9，4 =小皿6 120。（7）ic_ -4sin（6 -2409式中* 為逆變器修出的給定定子電流幅值-則永魁同步電機電磁轉(zhuǎn)矩方程為4 = 3/2 3/<8）因此，在轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制中， 把定子電流矢量始終控制在 q軸上，即定子電流d軸勵磁分量id=0 ,準確檢測出轉(zhuǎn)子空間位置（d軸），通過控制逆變器使三相定子的合成電流矢量位于q軸上，那么電機的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比，就能很好地控制轉(zhuǎn)矩。電流環(huán)通常采用PWMfe流跟蹤控制。基于三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的 BLDCMfc置伺服系統(tǒng)控制框圖見圖 3所示。3 RLDCM位置伺服系