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1、1. 1 PMSM和BLDCM的相似之处PMSM起源J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.与感应电机非常柑似。在转子上有永磯体.定子上有三 相绕组。BLDCM起源永磁直流电机，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。转子上右水磁体，定子上有三相绕组。H前在空间E行器中使用的PMSM和BLDCM转子主耍是表而贴装永磁体结构。I大I此从构 成结构上看，两者非常相似。1 2 PMSM和BLDCM的不同之处 反电势不同，PMSM貝有正弦波反电势，而BLDCM H有梯形波反电势。 定子绕组分布不同，
2、PMSM釆用短距分布绕组，仃时也采用分数槽或正毁绕组，以 进一步减小纹波转矩。而BLDCM采用整距集中绕组。 运彳j电流不同，为产生悝泄电磁转矩，PMSM Ti耍正弦波泄子电流：BLDCM需耍矩形 波电流。PMSM和BLDCM反电势和定子电流波形如图1所示。 永礎体形状不同，PMSM永磁体形状昱抛物线形.在气隙中产牛的磁密尽吊岸正弦 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，每用电流相差120。电角度.耍求有位置 传感器。BLDCM采用绕纽两两导通，每相导通120。电角度，每60。电角度换札I，只需耍换 相点位置检测。正是这
3、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仃很 大的差别。2 PMSM和BLDCM特性分析按照空间应用屮最关心的特性：功率密度、转矩惯届比、齿權转矩和转矩波动、反馈元 件、逆变器容鼠等特性对PMSM和BLDCM进行对比分桁。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，対给定的输出功率，耍求电机匝気越 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。对永磁电机，绝人多数的功 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
4、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电流控制器紂到，I佃铜耗丛本上Lb电流决老设正弦波电流幅值为4,则冇效值为厶/运，铜耗为3(4/迈人，用为相电阻。BLDCM 中，铜耗为3(凤心R ,厶为梯形波电流峰值。假设损耗相同，则可得出1 =1.157；,所以BLDCM输出功率与PMSM输出功率之比为1EI.3$/屈/运(6丿式中.夕为反电势幅值。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。如杲铁耗也 相同，BDLCM的功率密度比PMSM可提高15%。22转矩惯量比在何服系统中，通常耍求电机的放人加速度，转矩惯就比就是电机
5、本少所能捉供的最人 加速度。大I为BDLC可以比PMSM筋提供15%的输出功率，所以它可获得彼PMSM 15%的电幽 转矩。如果BDLC和PMSM RY/相同速度，它们的转了转动惯駅也相同，那么BDLC的转矩惯 竜比耍比PMSM人15%o23齿槽转矩和波动转矩转矩脉动是机电伺服系统的最人困扰，它使桥确的位盘控制和高性能的速度控制很困 难。在高速情况卜，转子惯彊叫以过滤掉转矩波动。但在低速和直接骡动应用场合.转炬波 小将严重形响系统性能，将使系统的粘戈和贞复性恶化。而空间精密机电伺服系统绝人了数 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
6、问题。转矩脉动主要有以下几个原因造成：齿權效应和 幽通畸变、电流换相引起的转矩及机械加工制造引起的转矩。 齿槽效应在永礎电机的电枢电流为零的情况卜；当转子旋转时，由J定子齿槽的存在，定子铁芯磁 阻的变化产生了齿椚磁阻转矩，齿槽转矩是交变的，与转了的位宣仃关，它是电动机本少空 间和永磁场的两数。在电机制造匕将定子齿槽或永磁体斜一个齿曲L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
7、电枢电流是非正眩波.BLDCM中 气隙磁场和反电势非梯形波，电枢电流是罪矩形波。气隙磁场和电枢电流相互作用后公产生 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屮，电机的电感限制了换相时绕组电流的变化率.定了绕组电流不可能是矩形波: 只能得到梯形波电流.引起较人的转矩波动。另外，BLDCM定子介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.转子旋转砂通不可能是严格同步的，这会造成转矩 的脉动脉动频率为皐波的6借。而在PMSM屮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止弦绕组电流产生恒泄转炬，而实际上，PMSM屮气隙磁密远非 正弦
8、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 矩波动耍比BDLC中的转矩波动小的多况1 PMSM定子合成磁通是平滑地连续旋转。【月此 PMSM的转矩波动明显耍小丁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,通常福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电流控制器引起的窩频转矩波动，通常比较小，并 由J：开关频率较高，很容易被转子惯量过滤掉。内此，从转矩波动看 PMSM比BDLC明显的优势，BD
9、LCM适合用在低性能低将度的速度和位宣伺服系统。Ifu PMSM适介用在高性能的速度和位置伺服系统。24伺服系统中的信号反馈元件PMSM需耍1E弦波电流，Iftj BLDCM 耍矩形波电流，导致了反馈元件的不同。BLDCM中， 每一时刻只冇两相绕组导通，每和导通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，盂耍正弦波电流，电流幅值由转子瞬时位置决定，电机丁作时所 有三相绕组同时导通需耍连续的位置传感器，在速度伺服系统屮仍需连续位査传感器.空 间机电系统中最常见的位置传感器仃旋转变压器+
10、RDC解码模块、光电编码器和同步J +RDC解码模块 BLDCM构成的速度伺服系统中，只需耍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久BLDCM比PMSM更适介速度伺服系统，而在位咒伺服 系统中，由于需要位置传感器，BLDCM与PMSM相比没有优势。对J：电机电流传感器，BLDCM和PMSM伺服系统-般只需耍两个电流传感器测吊两个绕 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。25逆变器容量对J：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Zo ill机最人 反电势为当驱动PMSM时，最人可能的输出功率为（
11、3/、/亍）（/血）=3尿/2,而驰 动BLDCM时，垠人可能的输出功率为257o W此BLDCMM人输出功率与PMSM时最人输出功 率比为2257/（37/2） = 1.33,即BLDCM可多输出33%的功率，当然考虑到BLDCM的铁损 増加，这个数值耍小一些。26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耍区别。 皋三环控制结构的PMSM转子磁场定向位置伺服系统见图2所示。u1M图2 PMSM位代伺服系统转子磁场定向矢駅控制框图设转子位邊角0 ,则逆变器输出的定子三相电流给定瞬时值应为/ = 一厶 sin 0-厶 sin（8-120。）（7）y
12、c = -sin（0-24O0）式中，厶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几3/2加/,（8）因此在转子磁链定向控制中，把泄子电流欠最始终控制在q轴上，即定子电流d轴励 他分最。二0,准确检测出转子空间位置（d轴），通过控制逆变器使三柑定子的合成电流矢吊位J： q轴上，那么电机的电磁转矩只与定了电流的幅值成正比，就能很好地控制转矩。电流环通常采用PWM电流跟踪控制。 皋J；三环控制结构的BLDCM位置伺服系统控制框图见图3所示。 BLDCN图3 BLDCM位置伺服系统控制框图从上面系统控制结构可以看出，基J-PMSM和BLDCM组成的伺服系统两者最大的区别在 J电流坏的控制上。在PMSM位玄何服系统中，只耍改变给定位玄信号的极性，就町以使PMSM 方便地在四象限运行。ifU在BLDCM位置伺服系统屮，必须经过运行状态（正、反转，电.制 动）判别后，经过逻辑控制单尤产生功率开关控制信号，再与PWM信号综介后驱动功率电豁， 从而控制BLDCM的运行。