1、直流無刷電機 BLDCM與永磁同步電機 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和BLDCM相同點和不同點1.1 PMSM和BLDCM勺相似之處 兩者其實都是交流電機，起源不同但從結構上看，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， 它勺一個顯著特點是反電勢波形是正弦波，與感應電機非常

2、相似。在轉子上有 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 構進行“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 BLDCM具有梯形波反電勢。定子繞組分布不同，PMSM采用短距分布繞組，有時也采用分數槽或正弦繞組，以進一步減小紋波轉矩。而 BLDCM采用整距集中繞組。運行電流不同，為產生恒定電磁轉矩，PMSM需要正弦波定子電流；BLDCM需要矩形波電流。PMSM和BLDCM反電勢和定子電流波形如圖 1所示。永磁體形狀不同，PMSM永磁

3、體形狀呈拋物線形，在氣隙中產生的磁密盡量呈正 弦波分布；BLDCM永磁體形狀呈瓦片形，在氣隙中產生的磁密呈梯形波分布。運行方式不同，PMSM采用三相同時工作，每相電流相差120°電角度，要求有位置傳感器。BLDC詠用繞組兩兩導通，每相導通 120°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PMSM和BLDCM勺控制方法、控制策略和控制電路上有很大差別。2 PMSM和BLDCM特性分析2.1 按照空間應用中最關心勺特性：功率密度、轉矩慣量比、齒槽轉矩和轉矩波動、反饋元件、逆變器容量等特性對PMSM和BLDCM進行對比分析。2.1 功率密度在

4、機器人和空間作動器等高性能指標應用場合，對于給定勺輸出功率，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勺限制。對于永磁電機，絕大多數勺功率損耗產生在定子，包括銅耗、渦流損耗和磁滯損耗，而轉子損耗經常被忽略。所以對于一個給定勺結構尺寸，電機損耗越小，允許的功率密度就越高。假設 PMSh和BLDCM勺渦流損耗、磁滯損耗和銅耗相同，比 較兩種電機勺輸出功率。PMSM中，正弦波電流可以通過滯環或 PWM電流控制器得到，而銅耗基本上由電 流決定。所以，在相同的尺寸下，BDLCM與 PMSMfi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PMSM可提高15%2

5、.2 轉矩慣量比在伺服系統中，通常要求電機勺最大加速度，轉矩慣量比就是電機本身所能提供的最大加速度。因為BDLC可以比PMS侈提供15%勺輸出功率，所以它可獲得 被PMS夠15%勺電磁轉矩。如果 BDLC和PMSM具有相同速度，它們的轉子轉動 慣量也相同，那么 BDLC勺轉矩慣量比要比 PMSM大 15%2.3 齒槽轉矩和波動轉矩轉矩脈動是機電伺服系統勺最大困擾 , 它使精確勺位置控制和高性能勺速度控 制很困難。在高速情況下，轉子慣量可以過濾掉轉矩波動。但在低速和直接驅 動應用場合，轉矩波動將嚴重影響系統性能，將使系統勺精度和重復性惡化。 而空間精密機電伺服系統絕大多數工作在低速場合，因此電機

6、轉矩脈動問題是 影響系統性能勺關鍵因素之一。PMS阱口 BLDCM都存在轉矩脈動問題。轉矩脈動主要有以下幾個原因造成：齒槽效應和磁通畸變、電流換相引起勺轉矩及機械加工制造引起勺轉矩。a. 齒槽效應引起勺轉矩脈動在永磁電機勺電樞電流為零勺情況下 , 當轉子旋轉時 , 由于定子齒槽勺存在 , 定 子鐵芯磁阻勺變化產生了齒槽磁阻轉矩 , 齒槽轉矩是交變勺 , 與轉子勺位置有關 它是電動機本身空間和永磁場勺函數。在電機制造上 , 將定子齒槽或永磁體斜一 個齒距,可以使齒槽轉矩減小到額定轉矩勺1%-2%左右。或者采用定子無槽結構，可以徹底消除齒槽效應， 但這些方法都將降低電機的出力。PMSM和BDLC中

7、的齒槽轉矩脈動沒有明顯勺差別。b. 磁通畸變和換相電流畸變引起的轉矩脈動磁通畸變和電流畸變是指 PMSM中氣隙磁場、反電勢和電樞電流是非正弦波， BLDCM中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 流相互作用后會產生轉矩波動，反電動勢與理想波形的偏差越大 , 引起的轉矩脈 動越大。BLDCM中,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BLDCM定不可能是矩形波。只能得到梯形波電流，引起較大的轉矩波動。另外， 子合成磁通不是平滑地旋轉，而是以一種不連續地狀態向前步進，定、轉子旋 轉磁通不可能是嚴格同步的，這會造成轉矩的脈動，脈動頻率為基波的 6 倍。而在P

8、MSM中產生正弦波電流是連續的，PMSMS想運行狀態是正弦分布的氣隙磁 密同正弦繞組電流產生恒定轉矩，而實際上， PMSM中氣隙磁密度也并非完全是 正弦波分布，無疑也會引起了轉矩脈動。但它和電樞電流波形不匹配引起的轉矩波動要比BDLC中的轉矩波動小的多，況且 PMSM定子合成磁通是平滑地連續 旋轉。因此PMSM勺轉矩波動明顯要小于 BLDCMc. 逆變器電流控制環節引起的轉矩脈動在BLDCM中，電流滯環控制器中滯環寬度和PWM電流控制器幵關頻率將引起BLDCMS際電流圍繞期望電流上下高頻波動，電機轉矩也出現高頻波動， 通常幅度要低于換相電流引起的轉矩波動。在PMSM中，也會出現由滯環或 PWN

9、fe流控制器引起的高頻轉矩波動，通常比較 小，并由于開關頻率較高，很容易被轉子慣量過濾掉。因此，從轉矩波動看，PMSM匕BDLCM有明顯的優勢，BDLCM適合用在低性能低 精度的速度和位置伺服系統。而 PMSMS合用在高性能的速度和位置伺服系統。2.4 伺服系統中的信號反饋元件PMSM需要正弦波電流，而BLDCM需要矩形波電流，導致了反饋元件的不同。BLDCM中，每一時刻只有兩相繞組導通，每相導通120°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 電系統中最常見的位置傳感器是霍爾位置幵關。在PMSM中，需要正弦波電流，電

10、流幅值由轉子瞬時位置決定，電機工作時所有三相繞組同時導通，需要連續 的位置傳感器，在速度伺服系統中仍需連續位置傳感器，空間機電系統中最常 見的位置傳感器有旋轉變壓器 +RDC解碼模塊或光電編碼器。BLDCM構成的速度伺服系統中，只需要一個低分辨率的傳感器，從這一點看，如果換相引起的轉矩波動可以接受，BLDCMt PMSM更適合于速度伺服系統，而在位置伺服系統中， 由于需要位置傳感器，BLDCM與 PMSM目比沒有優勢。2.5 逆變器容量2.6 控制系統結構不同分別以空間應用常見 PMSMfc置伺服系統和BLDCM位置伺服系統為例說明主要區 別。基于三環控制結構的 PMSM轉子磁場定向位置伺服系統見圖 2所示。 因此，在轉子磁鏈定向控制中，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 ，準確檢測出轉子空間位置（ d 軸），通過控制逆變器使三 目定子的合成電流矢量位于 q 軸上，那么電機的電磁轉矩只與定子電流的幅值 成正比，就能很好地控制轉矩。電流環通常采用PWM電流跟蹤控制。基于三環控制結構的 BLDCM位置伺服系統控制框圖見圖 3所示。從上面系統控制結構可以看出，基于PMSM和