BLDC与PMSM的区别

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/º30º30º150º150º210º210º330º330º反电势相电流幅值幅值360º180º电角度/º电角度/ºPMSMBLDCM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。BLDCM1I1/2I()213/2IRR中，铜耗为，为梯形波电流峰值。假设损耗相同，则可得出()2232/3IR2I，所以BLDCM输出功率与PMSM输出功率之比为121.15II=（6）2121.153/2/2EIEI=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15%的输出功率，所以它可获得被PMSM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。PIPM电流调节器PD速度调节器θdθθPWMgnfnqIgaigbigciaibici0=dI坐标旋转2/3变换Sin矢量变换编码器d/dtPPPPWMPWM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θ（7）sinsin(120)sin(240)AsBsCsiIiIiIθθθ=−⎧⎪⎪=−−⎨⎪⎪=−−⎩��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）3/2esrsTnIψ=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/dt反馈电流综合编码器BLDCMdθθ+−+−+−•θ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。