bldc与pmsm的区别

《bldc与pmsm的区别》由会员分享，可在线阅读，更多相关《bldc与pmsm的区别（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

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。 1.2PMSM 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

2、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/ 3 0 3 0 150 150 210 210 330 330 反 电 势 相 电 流 幅值 幅值 360180 电 角 度/ 电 角 度/ PM SMBLD CM 图 1PMSM 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

3、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，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

4、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。BLDCM 1 I 1/ 2I () 2 1 3/2IRR 中，

5、铜耗为，为梯形波电流峰值。假设损耗相同，则可得出 () 2 2 32/3IR 2 I ，所以 BLDCM 输出功率与 PMSM 输出功率之比为 12 1.15II= （6） 2 1 2 1.15 3/2/2 EI EI = 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 15%的输出功率， 所以它可获得被 PMSM

6、多 15%的电磁 转矩。如果 BDLC 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

7、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

8、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,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

9、波分布，无疑引起了转矩脉动。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

10、 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 PMSM 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

11、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

12、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 ()() 3/2/23/2EIEI= 动 BLDCM 时，最大可能的输出功率为。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=33% 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。 P IP M 电 流

13、 调 节 器 P D 速 度 调 节 器 d P W M g n f n q I ga i gb i gc i a i b i c i 0= d I 坐 标 旋 转 2/3变 换 Sin 矢 量 变 换 编 码 器 d/d t P P P P W M P W M 位 置 调 节 器 逆 变 器 图 2PMSM 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） sin sin(120 ) sin(240 ) As Bs Cs iI iI iI = = = 式中，为逆变器输出的给定定子电流幅值。 s I 则永磁同步电机电磁转矩方程为 （8）3/2

14、 esrs TnI= 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位置（d 轴） ，通过控制逆变器使三相定子的合成电流矢 d i 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 P W M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/d t 反 馈 电 流 综 合 编 码 器 BLD CM d + + + 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。