BLDC与PMSM的区别.pdf

1、1.1PMSM和 BLDCM的相 似之 处PMSM起源于饶线式同步电机，它用永磁体代替了绕线式同步电机的激磁绕组，它的一个显 著特 点是 反电 势波 形是 正弦 波， 与 感 应电 机非 常相 似。 在 转 子上 有永 磁体 ， 定 子上 有 三相绕 组。 BLDCM起源于永磁直流电机，它将永磁直流电机结构进行 “ 里外翻 ” ，取消了换相器和电刷 ，依 靠电 子换 相电 路进 行换 相。 转子 上有 永磁 体， 定子 上有 三相 绕组 。目前 在空 间飞 行器 中使 用的 PMSM和 BLDCM转子 主要 是表 面贴 装永 磁体 结构 。因 此从 构成结 构上 看， 两者 非常 相似 。 1

2、.2PMSM和 BLDCM的不 同之 处反电 势不 同， PMSM具有 正弦 波反 电势 ，而 BLDCM具有 梯形 波反 电势 。定子 绕组 分布 不同 ， PMSM采用 短距 分布 绕组 ，有 时也 采用 分数 槽或 正弦 绕组 ，以进一 步减 小纹 波转 矩。而 BLDCM采用 整距 集中 绕组 。运行 电流 不同 ， 为 产生 恒定 电磁 转矩 ， PMSM需要 正弦 波定 子电 流； BLDCM需要 矩 形波电 流。 PMSM和 BLDCM反电 势和 定子 电流 波形 如图 1所示 。反 电 势相 电 流电 角 度 /3030150150 2102103030反 电 势相 电 流幅

3、值幅 值360180电 角 度 /电 角 度 /PMS BLDCM图 1PMS和 BLDCM反电势和定子电流波形永磁 体形 状不 同， PMSM永磁 体形 状呈 抛物 线形 ，在 气隙 中产 生的 磁密 尽量 呈正 弦波分 布； BLDCM永磁 体形 状呈 瓦片 形， 在气 隙中 产生 的磁 密呈 梯形 波分 布。运行 方式 不同 ， PMSM采用 三相 同时 工作 ， 每 相电 流相差 120 电角 度， 要 求 有位 置传感 器。 BLDCM采用 绕组 两两 导通 ， 每 相 导通 120 电角 度， 每 60 电角 度换 相， 只 需 要 换相点 位置 检测 。正是 这些 不同 之处 ，

4、使 得在对 PMSM和 BLDCM的控 制方 法、 控制 策略 和控 制电 路上 有很大的 差别 。 2PMSM和 BLDCM特性分析按照 空间 应用 中最 关心 的特 性： 功 率 密度 、 转 矩惯 量比 、 齿 槽转 矩和 转矩 波动 、 反 馈 元件、 逆变 器容 量等 特性对 PMSM和 BLDCM进行 对比 分析 。2.1功率 密度在机 器人 和空 间作 动器 等高 性能 指标 应用 场合 ， 对 于 给定 的输 出功 率， 要 求 电机 重量 越小越 好。 功 率 密度 受电 机散 热能 力即 电机 定子 表面 积的 限制 。 对 于永 磁电 机， 绝 大 多数 的 功率损 耗产

5、 生在 定子 ， 包 括铜 耗、 涡 流 损耗 和磁 滞损 耗， 而 转 子损 耗经 常被 忽略 。 所 以 对于 一个给 定的 结构 尺寸 ，电 机损 耗越 小， 允许 的功 率密 度就 越高 。假设 PMSM和 BLDCM的涡 流损耗、 磁滞 损耗 和铜 耗相 同， 比较 两种 电机 的输 出功 率。 PMSM中， 正 弦 波电 流可 以通 过滞 环或 PWM电流 控制 器得 到， 而 铜 耗基 本上 由电 流决 定 。设正弦波电流幅值为 ，则有效值为 ，铜耗为 ， 为相电阻。 BLDCM1I 1/2I ( )213/I RR中 ， 铜 耗 为 ， 为 梯 形 波 电 流 峰 值 。 假

6、设 损 耗 相 同 ， 则 可 得 出( )223/3I R2I，所以 BLDCM输出 功率与 PMSM输出 功率 之比 为1 21.15I I= （ 6）212 1.153/ /2EIEI =式中 ， 为反 电势 幅值 。E所以 ， 在 相同 的尺 寸下 ， BDLCM与 PMSM相比 ， 可 以多 提供 15%的功 率输 出。 如 果铁 耗 也相同 ， BDLCM的功 率密 度比 PMSM可提高 15%。2.2转矩 惯量 比在伺 服系 统中 ， 通 常 要求 电机 的最 大加 速度 ， 转 矩 惯量 比就 是电 机本 身所 能提 供的 最 大加速 度。 因为 BDLC可以比 PMSM多提供

7、 15%的输 出功 率， 所 以 它可 获得被 PMSM多 15%的电 磁转矩 。如果 和 PMSM具有 相同 速度 ，它 们的 转子 转动 惯量 也相 同， 那么 BDLC的转 矩惯量比 要比 PMSM大 15%。2.3齿槽 转矩 和波 动转 矩转矩 脉 动 是 机 电 伺 服 系 统 的 最 大 困 扰 ,它使 精 确 的 位 置 控 制 和 高 性 能 的 速 度 控 制 很 困难。 在 高 速情 况下 ， 转 子惯 量可 以过 滤掉 转矩 波动 。 但 在低 速和 直接 驱动 应用 场合 ， 转 矩 波动将 严重 影响 系统 性能 ， 将 使 系统 的精 度和 重复 性恶 化。 而 空

8、 间精 密机 电伺 服系 统绝 大多 数工作 在低 速场 合， 因此 电机 转矩 脉动 问题 是影 响系 统性 能的 关键 因素 之一 。 PMSM和 BLDCM都存在转矩脉动问题。转矩脉动主要有以下几个原因造成：齿槽效应和磁通 畸变 、电 流换 相引 起的 转矩 及机 械加 工制 造引 起的 转矩 。齿槽 效应在永 磁电 机的 电枢 电流 为零 的情 况下 ,当转 子旋 转时 ,由于 定子 齿槽 的存 在 ,定子 铁芯 磁阻的变 化产 生了 齿槽 磁阻 转矩 ,齿槽转 矩是 交变 的 ,与转子 的位 置有 关 ,它是电 动机 本身空间和 永磁 场的 函数 。在 电机 制造 上 ,将定 子齿

9、槽或 永磁 体斜 一个 齿距 ,可以 使齿 槽转 矩减 小到额定转矩的 1%-2%左右。或者采用定子无槽结构，可以彻底消除齿槽效应，但这些方法都将 降低 电机 的出 力。 PMSM和 BDLC中的 齿槽 转矩 脉动 没有 明显 的差 别。磁通 畸变 和换 相电 流畸 变引 起的 转矩 脉动磁通畸变和电流畸变是指 PMSM中气隙磁场、反电势和电枢电流是非正弦波， BLDCM中气隙 磁场 和反 电势 非梯 形波 ， 电 枢 电流 是非 矩形 波。 气 隙 磁场 和电 枢电 流相 互作 用后 会产 生转矩 波动 ，反 电动 势与 理想 波形 的偏 差越 大 ,引起 的转 矩脉 动越 大。BLDCM中

10、 ,电机 的电 感限 制了 换相 时绕 组电 流的 变化 率， 定 子 绕组 电流 不可 能是 矩形 波 。只能得到梯形波电流，引起较大的转矩波动。另外， BLDCM定子合成磁通不是平滑地旋转，而是 以一 种不 连续 地状 态向 前步 进， 定 、 转 子 旋转 磁通 不可 能是 严格 同步 的， 这 会 造成 转 矩的脉 动， 脉 动 频率 为基 波的 6倍。 而在 PMSM中产 生正 弦波 电流 是可 能的 ， PMSM理想 运行 状态是正弦分布的气隙磁密同正弦绕组电流产生恒定转矩，而实际上， PMSM中气隙磁密远非正弦 波分 布， 而 是 梯形 波分 布， 无 疑 引起 了转 矩脉 动。

11、 但 它 和电 枢电 流波 形不 匹配 引起 的 转矩波动要比 BDLC中的转矩波动 小的多，况且 PMSM定子合成磁通是平滑地连续旋转。因此PMSM的转 矩波 动明 显要 小于 BLDCM。逆变 器电 流控 制环 节引 起的 转矩 脉动在 BLDCM中，电 流 滞环 控制 器中 滞环 宽度和 PWM电流 控制 器开 关频 率将 引起 BLDCM实 际电流 围绕 期望 电流 上下 高频 波动 ， 电 机 转矩 也出 现高 频波 动， 通 常 幅度 要低 于换 相电 流引 起的转 矩波 动。 在 PMSM中， 也会 出现 由滞 环或 PWM电流 控制 器引 起的 高频 转矩 波动 ，通 常比 较

12、小 ，并由于 开关 频率 较高 ，很 容易 被转 子惯 量过 滤掉 。因此 ，从 转矩 波动 看， PMSM比 BDLC具有 明显 的优 势， BDLCM适合 用在 低性 能低 精度 的速度 和位 置伺 服系 统。而 适合 用在 高性 能的 速度 和位 置伺 服系 统。2.4伺服 系统 中的 信号 反馈 元件PMSM需要 正弦 波电 流，而 BLDCM需要 矩形 波电 流， 导致 了反 馈元 件的 不同 。 BLDCM中 ，每一 时刻 只有 两相 绕组 导通 ， 每 相导通 120 电角 度， 电 流每 60 电角 度换 相一 次， 只 要 正确检 测出 这些 换相 点， 就 能 保证 电机

13、正常 运行 ， 在 空 间机 电系 统中 最常 见的 位置 传感 器是 霍尔位 置开 关。在 PMSM中， 需要 正弦 波电 流， 电流 幅值 由转 子瞬 时位 置决 定， 电机 工作 时所有三 相绕 组同 时导 通， 需 要 连续 的位 置传 感器 ， 在 速度 伺服 系统 中仍 需连 续位 置传 感器 ， 空间机电系统中最常见的位置传感器有旋转变压器 +RDC解码模块、光电编码器和同步感应器+RDC解 码 模 块 。 BLDCM构成 的速 度伺 服系 统中 ，只 需 要一 个低 分辨 率的 传感 器，从 这一 点 看 ，如果换相引起的转矩波动可以接受， BLDCM比 PMSM更适合于速度伺

14、服系统， 而在位置伺服系统 中， 由于 需要 位置 传感 器， BLDCM与 PMSM相比 没有 优势 。对于电机电流传感器， BLDCM和 PMSM伺服系统一般只需要两个电流传感器测量两个绕组电 流， 第 三 个绕 组电 流可 以由 两个 电流 测量 值推 算出 来。 最 常 见的 电流 传感 器是 霍尔 电 流传感 器。2.5逆变 器容 量对于 给定 电流 逆变 器（ 滞环或 PWM电流 逆变 器）， 假设 其连 续额 定电 流为 。电 机最 大I反电势 为 ，当驱 动 PMSM时，最 大可 能的 输出 功率 为 ，而驱E ( )( )3/2/23/2EI EI=动 BLDCM时， 最 大

15、 可能 的输 出功 率为 。 因此 BLDCM最大 输出 功率与 PMSM时最 大输 出 功2EI率比 为 ，即 BLDCM可多 输 出 的功 率 ， 当 然 考 虑 到 BLDCM的铁损( )2/3/21.33EIEI= 3%增加 ，这 个数 值要 小一 些。 2.6控制 系统 结构 不同分别 以空 间应 用常见 PMSM位置 伺服 系统和 BLDCM位置 伺服 系统 为例 说明 主要 区别 。基于 三环 控制 结构的 PMSM转子 磁场 定向 位置 伺服 系统 见图 2所示 。PI PM电 流调 节 器PD 速 度调 节 器 d PWMgnfnqI gaigbigci aibici0=dI

16、 坐 标 旋 转2/3变 换 Sin 矢 量 变 换编 码 器d/tPPPPWMPWM位 置调 节 器 逆 变 器图 2PMS位置伺服系统转子磁场定向矢量控制框图设转 子位 置角 ，则 逆变 器输 出的 定子 三相 电流 给定 瞬时 值应 为 （ 7）sinsin(120)sin(240)ABCi Ii Ii I= 式中 ， 为逆 变器 输出 的给 定定 子电 流幅 值。sI则永 磁同 步电 机电 磁转 矩方 程为（ 8）3/2es rsTnI=因此 ， 在 转子 磁链 定向 控制 中， 把 定 子电 流矢 量始 终控 制在 q轴上 ， 即 定子 电流 d轴 励磁分量 =0，准确检测出转子空间

17、位置（ d轴）， 通过控制逆变器使三相定子的合成电流矢di量位于 q轴上 ， 那 么电 机的 电磁 转矩 只与 定子 电流 的幅 值成 正比 ， 就 能很 好地 控制 转矩 。 电流环 通常 采用 PWM电流 跟踪 控制 。基于 三环 控制 结构的 BLDCM位置 伺服 系统 控制 框图 见图 3所示 。位 置调 节 速 度调 节 电 流调 节 PWM驱 动运 行 状 态 判 别 逻 辑 控 制 单 元 三 角 波发 生 器位 置 信 号 处 理d/t 反 馈 电 流 综 合 编 码 器BLDCMd+ + + 图 3BLDCM位置伺服系统控制框图从上 面系 统控 制结 构可 以看 出， 基于 PMSM和 BLDCM组成 的伺 服系 统两 者最 大的 区别 在于电 流环 的控 制上 。在 PMSM位置 伺服 系统 中，只 要 改变 给定 位置 信号 的极 性，就 可以使 PMSM方便 地在 四象 限运 行。 而在 BLDCM位置 伺服 系统 中， 必 须 经过 运行 状态 （ 正 、 反 转， 电 、 制动）判 别后 ，经 过 逻辑 控制 单元 产生 功率 开关 控制 信号 ，再与 PWM信号 综合 后驱 动功 率电 路 ，从而 控制 BLDCM的运 行。