直流无刷电机与永磁同步电机的比较

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1、直流无刷电机与永磁同步电机的比较(总4页)-CAL-FENGHAL-(YICAI)-Company One 1CAL本页仅作为文档封面，使用请直接删除直流无刷电机BLDCM与永磁同步电机PMSM的比较直流无刷电机BLDCMBrushless Direct Current Motor永磁同步电机(交流无刷电机)PMSM(BLACM)Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor)1 PMSM和BLDCM相同点和不同点1. 1 PMSM和BLDCM的相似之处两者其实都是交流电机，起源不同但从结构上看，两

2、者非常相似。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。1.2 PHSM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，PHSH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，PH

3、SM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。#图1PMSM和BLDCM g电势和定子电流波形永磁体形状不同，PHSM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，PHSM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差别。2 PMSM和BLDCM特性分

4、析2.1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

5、基本上由电流决定。设正弦波电流幅值为厶，则声效值为/J近,铜耗为3(厶/运)冷.&为相电阻。BLDCM中，铜耗为3帥厶为梯形波电流峰值。假设损耗相同，则可得出h二1.15厶，所以BLDCH输出功率与PUSH输出功率之比为=1.15(6)327V2/5/2式中，为反电势幅值。所以，在相同的尺寸下，BDLCM与PHSM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多15%的电

6、磁转矩。如果 BDLC和PHSM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PHSM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BLDCH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。a. 齿槽效应

7、引起的转矩脉动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。PHSM和BDLC 中的齿槽转矩脉动没有明显的差别。b. 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

8、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 是连续的，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中气隙磁密度也并非完全是正弦波分布，无疑也会引起了转矩脉动，但它和电枢电流波形不 匹配引起的转矩波动要比BD

9、LC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。c. 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，PHSM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

10、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BLDCH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，在通常的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解码模块或光电编码器。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

11、这一点看，如果换相引起的转矩波动可以接受，BLDCM比PHSH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PHSH相比没有优势。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 反电势为夕，当驱动PASM时，最大可能的输出功率为0血)/1)=3/7/2,而驱 动BLDCM时，最大可能的输岀功率为2&。因此BLDCM最大输出功率与PUSH时最大输出功 率比为227/(3/7/2) = 1.33,即BLDCM可多输出33%的功率，当然考虑到BLDCM的铁损 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

12、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。图2 PMSM位萱旬服系统转子磁场定向矢鱼控剖框图设转子位置角e ,则逆变器输出的定子三相电流给定瞬时值应为 = 一厶 sing4 = -sin(G -120:)(7)/.-/sinCe -240:)式中，为逆变器输出的给定定子电流幅值。则永磁同步电机电磁转矩方程为即定子电流d轴励磁分量乙二 3/2 种/(8)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,id二0,准确检测岀转子空间位置(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。BLDCM宅汽3 BLDCM位置伺服系统控制框图从上面系统控制结构可以看岀，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。