直流無(wú)刷電機(jī)與永磁同步電機(jī)的比較

1、直流無(wú)刷電機(jī) BLDCM與永磁同步電機(jī) P MSM勺比較直流無(wú)刷電機(jī) BLDCMBrushless Direct Current Motor永磁同步電機(jī) (交流無(wú)刷電機(jī) ) PMSM(BLACM)Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor) 1 PMSM和BLDCM目同點(diǎn)和不同點(diǎn) 1.1 PMSM和BLDCM勺相似之處兩者其實(shí)都是交流電機(jī)，起源不同但從結(jié)構(gòu)上看，兩者非常目似。PMSM起源于饒線式同步電機(jī)，它用永磁體代替了繞線式同步電機(jī)的激磁繞組，它勺一個(gè)顯著特點(diǎn)是反電勢(shì)波形是正弦波，與感應(yīng)電機(jī)非

2、常目似。在轉(zhuǎn)子上有永磁 體，定子上有三相繞組。BLDCM起源于永磁直流電機(jī)，它將永磁直流電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行里外翻”，取消了換相器和電刷， 依靠電子換相電路進(jìn)行換相。 轉(zhuǎn)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(shì)不同，P MSM具有正弦波反電勢(shì)，而 BLDCM具有梯形波反電勢(shì)。定子繞組分布不同，P MSM采用短距分布繞組，有時(shí)也采用分?jǐn)?shù)槽或正弦繞組，以進(jìn)一步減小紋波轉(zhuǎn)矩。而 BLDCM采用整距集中繞組。運(yùn)行電流不同，為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)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(shì)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(yùn)行方式不同，PMSM采用三相同時(shí)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(dǎo)通，每相導(dǎo)通120°電角度，每60。電角度換相, 只需要換相點(diǎn)位置檢測(cè)。正是這些不同之處，使得在對(duì)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(yīng)用中最關(guān)心勺特性： 功率密度、轉(zhuǎn)矩慣量比、 齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、 反饋元件、逆變器容量等特性對(duì) PMSM口 BLDCMS行對(duì)比分析

4、。2.1 功率密度 在機(jī)器人和空間作動(dòng)器等高性能指標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于給定勺輸出功率，要求電機(jī) 重量越小越好。功率密度受電機(jī)散熱能力即電機(jī)定子表面積勺限制。對(duì)于永磁電 機(jī)，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(zhuǎn)子 損耗經(jīng)常被忽略。所以對(duì)于一個(gè)給定勺結(jié)構(gòu)尺寸，電機(jī)損耗越小，允許勺功率密 度就越高。假設(shè)PMSM和BLDCM勺渦流損耗、磁滯損耗和銅耗相同，比較兩種電機(jī)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(zhuǎn)矩慣量比 在伺服系統(tǒng)中，通常要求電機(jī)勺最大加速度，轉(zhuǎn)矩慣量比就是電機(jī)本身所能提供 的最大加速度。因?yàn)?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(zhuǎn)矩。如果 BDLC和 PMS娛有相同速度，它們的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相同，那么BDLC的轉(zhuǎn)矩慣量比要比 P MSMt 15%2.3 齒槽轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是機(jī)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(zhuǎn)子慣量可以過濾掉轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。但在低速和直接驅(qū)動(dòng)應(yīng) 用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，將使系統(tǒng)的精度和重復(fù)性惡化。而空間 精密機(jī)電伺服系統(tǒng)絕大多

6、數(shù)工作在低速場(chǎng)合，因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題是影響系統(tǒng) 性能的關(guān)鍵因素之一。PMSM和BLDCM都存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要有以下幾個(gè)原因造成：齒槽效應(yīng)和磁通畸變、電流換相弓起的轉(zhuǎn)矩及機(jī)械加工制造弓起的轉(zhuǎn)矩。a. 齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在永磁電機(jī)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(zhuǎn)矩, 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí) , 由于定子齒槽的存在 , 定子, 齒槽轉(zhuǎn)矩是交變的 , 與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān) , 它是電動(dòng)機(jī)本身空間和永磁場(chǎng)的函數(shù)。在電機(jī)制造上 , 將定子齒槽或永磁體斜一個(gè)齒距,可以使齒槽轉(zhuǎn)矩減小到額定轉(zhuǎn)矩的1%-2%左右?；蛘卟捎枚ㄗ訜o(wú)槽結(jié)構(gòu)，可以徹底消除齒槽效應(yīng)，但這些方法都將降低電機(jī)的出力。P

7、MSM和BDLC中的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)沒有明顯的差別。b. 磁通畸變和換相電流畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 磁通畸變和電流畸變是指 P MSM中氣隙磁場(chǎng)、反電勢(shì)和電樞電流是非正弦波，BLDCM中氣隙磁場(chǎng)和反電勢(shì)非梯形波，電樞電流是非矩形波。氣隙磁場(chǎng)和電樞電流相互 作用后會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，反電動(dòng)勢(shì)與理想波形的偏差越大 , 弓起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大。BLDCM中 ,電機(jī)的電感限制了換相時(shí)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(zhuǎn)矩波動(dòng)。另外，BLDCM定子合成磁通不是平滑地旋轉(zhuǎn)，而是以一種不連續(xù)地狀態(tài)向前步進(jìn)，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通不可能是嚴(yán)格同步的，這會(huì)造成轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，脈動(dòng)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(yùn)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(zhuǎn)矩，而實(shí)際上，P MSM中氣隙磁密度也并非完全是正弦波分布，無(wú)疑也會(huì)引起了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但它和電樞電流波形不匹配引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要比BDLC中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的多，況且 P MSM定子合成磁通是平滑地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此P MSM勺轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯要小于 BLDCM。c. 逆變器電流控制環(huán)節(jié)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 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(guān)頻率將引起 BLDCM實(shí)際電流圍繞期望電流上下高頻波動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)高頻波動(dòng)，通常幅度要低 于換相電流引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在PMSMP,也會(huì)出

9、現(xiàn)由滯環(huán)或PWMl流控制器引起的高頻轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，通常比較小, 并由于開關(guān)頻率較高，很容易被轉(zhuǎn)子慣量過濾掉。因此，從轉(zhuǎn)矩波動(dòng)看，PMSM匕BDLC具有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(hào)反饋元件PMSM需要正弦波電流，而BLDCM需要矩形波電流，導(dǎo)致了反饋元件的不同。BLDCM中，每一時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，每相導(dǎo)通120°電角度，電流每 60°電角度換相一次，只要正確檢測(cè)出這些換相點(diǎn)，就能保證電機(jī)正常運(yùn)行，在通常的機(jī)電系統(tǒng)中最常見的位置傳感器是霍爾位置幵關(guān)。在P MSM中，需

10、要正弦波電流，電流幅值由轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置決定，電機(jī)工作時(shí)所有三相繞組同時(shí)導(dǎo)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(jī)電系統(tǒng)中最常見的位置傳 感器有旋轉(zhuǎn)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(gè)低分辨率的傳感器， 從這一點(diǎn)看， 如果換目引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(shì)。2.5 逆變器容量2.6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同 分別以空間應(yīng)用常見P MS位置伺服系統(tǒng)和BLDCM位置伺服系統(tǒng)為例說(shuō)明主要區(qū)別。基于三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向位置伺服系統(tǒng)見圖 2所示。因此， 在轉(zhuǎn)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(lì)磁分量id=0 ,準(zhǔn)確檢測(cè)出轉(zhuǎn)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比， 就能很好地控制轉(zhuǎn)矩。電流環(huán)通常采用 PWM電流跟蹤控制?；谌h(huán)控制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以看出，基于