直流無刷電機與永磁同步電機的比較

1、直流無刷電機 BLDCM與永磁同步電機 P MSM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目同點和不同點 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，兩者非常目似。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

2、常目似。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， 定子上有三目繞組。1.2 PMSM和BLDCM勺不同之處反電勢不同，P MSM具有正弦波反電勢，而 BLDCM具有梯形波反電勢。定子繞組分布不同，P MSM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矩。而 BLDCM采用整距集中繞組。運行電流不同，為產(chǎn)生恒定電磁轉矩，P MSM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，PM

3、SM永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；BLDCM永磁體形狀呈瓦片形，在氣隙中產(chǎn)生的磁密呈梯形波分布。運行方式不同，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口 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口 BLDCMS行對比分析

4、。2.1 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(shù)勺功率損耗產(chǎn)生在定子，包括銅耗、渦流損耗和磁滯損耗，而轉子 損耗經(jīng)常被忽略。所以對于一個給定勺結構尺寸，電機損耗越小，允許勺功率密 度就越高。假設PMSM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(huán)或 PWMI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 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P

5、MSM可提高15%2.2 轉矩慣量比 在伺服系統(tǒng)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 BDLCM以比PMSM多提供15%勺輸出功率，所以它可獲得被PMS厲15%的電磁轉矩。如果 BDLC和 PMS娛有相同速度，它們的轉子轉動慣量也相同，那么BDLC的轉矩慣量比要比 P MSMt 15%2.3 齒槽轉矩和波動轉矩 轉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(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

6、數(shù)工作在低速場合，因此電機轉矩脈動問題是影響系統(tǒng) 性能的關鍵因素之一。PMSM和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、電流換相弓起的轉矩及機械加工制造弓起的轉矩。a. 齒槽效應引起的轉矩脈動在永磁電機的電樞電流為零的情況下鐵芯磁阻的變化產(chǎn)生了齒槽磁阻轉矩, 當轉子旋轉時 , 由于定子齒槽的存在 , 定子, 齒槽轉矩是交變的 , 與轉子的位置有關 , 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,可以使齒槽轉矩減小到額定轉矩的1%-2%左右?；蛘卟捎枚ㄗ訜o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。P

7、MSM和BDLC中的齒槽轉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矩脈動 磁通畸變和電流畸變是指 P MSM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(chǎn)生轉矩波動，反電動勢與理想波形的偏差越大 , 弓起的轉矩脈動越大。BLDCM中 ,電機的電感限制了換相時繞組電流的變化率，定子繞組電流不可能是矩形波。只能得到梯形波電流，弓I起較大的轉矩波動。另外，BLDCM定子合成磁通不是平滑地旋轉，而是以一種不連續(xù)地狀態(tài)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

8、倍。而在PMSM中產(chǎn)生正弦波電流是連續(xù)的，P MSMS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)生恒定轉矩，而實際上，P MSM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 P MSM定子合成磁通是平滑地連續(xù)旋轉。因此P MSM勺轉矩波動明顯要小于 BLDCM。c. 逆變器電流控制環(huán)節(jié)引起的轉矩脈動 在BLDCM中,電流滯環(huán)控制器中滯環(huán)寬度和 PWM電流控制器幵關頻率將引起 BLDCM實際電流圍繞期望電流上下高頻波動，電機轉矩也出現(xiàn)高頻波動，通常幅度要低 于換相電流引起的轉矩波動。在PMSMP,也會出

9、現(xiàn)由滯環(huán)或PWMl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BDLC具有明顯的優(yōu)勢，BDLCMg合用在低性能低精 度的速度和位置伺服系統(tǒng)。而 P MSMS合用在高性能的速度和位置伺服系統(tǒng)。2.4 伺服系統(tǒng)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(tǒng)中最常見的位置傳感器是霍爾位置幵關。在P MSM中，需

10、要正弦波電流，電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(xù)的位置傳 感器，在速度伺服系統(tǒng)中仍需連續(xù)位置傳感器，空間機電系統(tǒng)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勾成的速度伺服系統(tǒng)中, 只需要一個低分辨率的傳感器， 從這一點看， 如果換目引起的轉矩波動可以接受，BLDCMfc PMSM!適合于速度伺服系統(tǒng)，而在位置伺服系統(tǒng)中，由于需要位置傳感器，BLDCM與 PMSM目比沒有優(yōu)勢。2.5 逆變器容量2.6 控制系統(tǒng)結構不同 分別以空間應用常見P MS位置伺服系統(tǒng)和BLDCM位置伺服系統(tǒng)為例說明主要區(qū)別?；谌h(huán)控制結構的PMSM轉子磁場定向位置伺服系統(tǒng)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相定子 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(huán)通常采用 PWM電流跟蹤控制?；谌h(huán)控制結構的 BLDCM位置伺服系統(tǒng)控制框圖見圖 3所示。從上面系統(tǒng)控制結構可以看出，基于