永磁无刷直流电机的分类与区别

1.永磁无刷直流电机的介绍

永磁无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，是由电动机和电子驱动器组成。如图1所示。

图1 无刷直流电动机的基本结构框图

1.1电动机和发电机的研究点

电动运行的电机来讲（对电动机而言），往往关注其出力情况（输出转矩），故机械特性曲线是研究重点，如与电机的启动，调速，制动都与之有关；对于发电运行的电机（对发电机而言），更关注电机输出的电压幅值与功率，故端电压与负载电流的外特性曲线，有功功率调节的功角特性曲线与无功功率调节的V形曲线都是研究重点。因此，对于永磁无刷直流电机而言，虽然如果是转子当成输出，定子当成输入，则是永磁无刷直流电动机；如果是转子当成输入。定子当成输出，则是永磁无刷直流发电机。二者本质上结构无区别但是关注的研究点不一样，所形成的理论研究与设计自然也不同。在这里主要介绍永磁无刷直流电动机的相关知识。

1.2永磁无刷直流电机的分类

在一般情况下，如果电动机的三相电枢绕组与单极性非桥式电子换向（相）电路相连接，或者与120°导通型半桥逆变电路（两两三相六状态导通方式）相连接；驱动电压是直流矩形波电压，希望转子永磁体磁极能在工作气隙内产生接近矩形波或梯形波的磁场，进而在电枢绕组内感生接近矩形波或梯形波的反电动势；电动机运行时，三相电枢绕组通常是一相一相轮流导通，或者是两相两相轮流导通，在工作气隙内产生“跳跃式”旋转磁场，我们把这样的永磁电动机称为无刷直流永磁电动机，简称无刷直流电动机（BLDCM）。
在一般情况下，如果电动机的三相电枢绕组与180°导通型半桥逆变电路（三相全部导通方式）相连接；驱动电压是经由正弦脉宽调制的脉冲电压，或者是经由空间矢量脉宽调制的脉冲电压，希望转子永磁体磁极能在工作气隙内产生接近正弦波形的磁场，进而在电枢绕组内感生接近正弦波形的反电动势；电动机运行时，三相电枢绕组同时接通，在工作气隙内产生“连续式”圆形旋转磁场，我们把这样的永磁电动机称为自控式永磁同步电动机（PMSM)。
简单点来说，就是以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类：方波驱动电机和正弦波驱动电机。前者称为无刷直流电动机（BLDC），后者称为永磁同步电动机（PMSM）。

2.BLDCM与PMSM的区别

从二者的结构来看，BLDC和PMSM的基本结构是大致相同的：它们的电动机都是永磁电动机，转子由永磁体组成，定子安放有多相交流绕组；是由永久磁铁（PM）转子和定子的交流电流相互作用产生电机的转矩；在绕组中的驱动电流必须与转子位置反馈同步。转子位置反馈信号可以来自转子位置传感器，或者像在一些无传感器控制方式那样通过检测电机相绕组的反电动势（EMF）等方法得到。
虽然在永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本架构相同，但它们在实际的设计细节上的不同是由它们是如何驱动决定的。如下：
如无刷直流电机（BLDC）通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，径向充磁，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。
而如永磁同步电动机（PMSM）扇形瓦型磁钢，轴向充磁，具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制策略。
二者的驱动主要是电流驱动模式的不同所造成的，因此两者在电动机的气隙磁场波形、反电动势波形、驱动电流波形、转子位置传感器，以及驱动器中的电流环电路结构、速度反馈信息的获得和控制算法等方面都有明显的区别，它们的转矩产生原理也有很大的不同。

2.1BLDCM与PMSM的转矩产生原理

图2 理想情况下两种电流驱动模式的磁通密度分布、相反电动势、相电流和电磁转矩波形

2.1.1方波驱动的转矩产生原理

假设讨论一相绕组在120°正向导通范围内产生的转矩。当电机转子恒速转动，电流指令为恒值的稳态情况下，由控制器电流环作用强迫该相电流为某一恒值。在理想情况下，无刷直流电机设计气隙磁通密度分布使每相绕组的反电动势波形为有平坦顶部的梯形波，其平顶宽度应尽可能地接近120°。在转子位置传感器作用下，使该相电流导通120°范围和同相绕组反电动势波形平坦部分120°范围在相位上是完全重合的，如图2（b）所示。这样，在120°范围内，该相电流产生的电磁功率和电磁转矩均为恒值。由于每相绕组正向导通和反向导通的对称性，以及三相绕组的对称性，总合成电磁转矩为恒值，与转角位置无关。
在该一相绕组正向导通120°范围内，输入相电流I为恒值，它的一相绕组反电动势E为恒值，转子角速度为Ω时，一相绕组产生的电磁转矩为Tep，由下式表示：

考虑在一个电气周期内该相还反向导通120°，以及三相电磁转矩的叠加，则在一个360°内的总电磁转矩T为:

在上述理想情况下，方波驱动永磁无刷直流电动机有线性的转矩-电流特性，理论上转子在不同转角时都没有转矩波动产生。但是，在实际的永磁无刷直流电动机，由于每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°，平顶部分也不可能做到绝对的平坦无纹波，加上齿槽效应的存在和换相过渡过程电感作用等原因，电流波形也与理想方波有较大差距，转矩波动实际上必然存在。

2.1.2正弦波驱动的转矩产生原理

假使按正弦波驱动模式工作的永磁同步电动机（PMSM）则完全不同。电动机气隙磁通密度分布设计和绕组设计使每相绕组的反电动势波形为正弦波。正弦波的相电流是由控制器强制产生的，这是通过转子位置传感器检测出转子相对于定子的绝对位置，由伺服驱动器的电流环实现的，并且可以按需要控制相电流与该相反电动势之间的相位关系。它的反电动势和相电流频率由转子转速决定。当相电流与该相反电动势同相时，如图2（a）所示，三相绕组A、B、C的反电势和相电流表示如下：

上式中，E和I分别为一相反电动势和相电流的幅值；θ为转子转角。这里，它的每相绕组正向导通180°，然后反向导通180°。电机的电磁功率P和电磁转矩T的关系为：

上式可表明，正弦波驱动的永磁同步电动机具有线性的转矩-电流特性。上式中，瞬态电磁转矩T与转角θ无关，理论上转矩波动为零。而且在实际的永磁同步电动机中，转矩波动一般比较小。

2.2BLDCM与PMSM的结构与性能比较

电动机的基本结构相同，有永磁转子和与交流电动机类似的定子结构。但永磁同步电动机要求有一个正弦的反电动势波形，所以在设计上有不同的考虑。它的转子设计努力获得正弦的气隙磁通密度分布波形。而无刷直流电机需要有梯形反电动势波，所以转子通常按等气隙磁通密度设计。绕组设计方面进行同样目的的配合。BLDC控制希望有一个低电感的绕组，减低负载时引起的转速下降，所以通常采用磁片表贴式转子结构。内置式永磁（IPM）转子电动机不太适合无刷直流电动机控制，因为它的电感偏高。IPM结构常常用于永磁同步电动机，和表面安装转子结构相比，可使电动机增加约15%的转矩。

2.2.1转矩波动

永磁同步电动机需要的正弦波电流是可能实现的，而无刷直流电动机需要的矩形波电流是难以做到的。因为无刷直流电动机绕组存在一定的电感，它妨碍了电流的快速变化。无刷直流电动机的实际电流上升需要经历一段时间，电流从其最大值回到零也需要一定的时间。因此，在绕组换相过程中，输入到无刷直流电动机的相电流是接近梯形的而不是矩形的。每相反电动势梯形波平顶部分的宽度很难达到120°。正是这种偏离导致无刷直流电机存在换相转矩波动。在永磁同步电动机中驱动器换相转矩波动几乎是没有的，它的转矩纹波主要是电流纹波造成的。
简单点来说，就是BLDCM的转矩波动主要是换相，PMSM的转矩波动主要是电流纹波。

2.2.2功率密度

经过粗略的计算显示，无刷直流电动机比相同机壳尺寸的永磁同步电动机能够多提供15%的功率。即其功率密度约大15%。实际上，考虑到无刷直流电动机的铁损耗比永磁同步电动机要稍大些，输出功率的增加达不到15%。当电动机用于要求快速响应的伺服系统时，系统期望电动机有较大的转矩转动惯量比。因为无刷直流电动机的功率输出可能增加15%，如果它们具有相同的额定速度，也就有可能获得15%的电磁转矩的增加。当它们的转子转动惯量相等时，则无刷直流电动机的转矩转动惯量比可以高出15%。
如果两种电动机都是在恒转矩模式下运行，无刷直流电动机比永磁同步电动机的每单位峰值电流产生的转矩要高。由于这个原因，当使用场合对重量或空间有严格限制时，无刷直流电动机应当是首选。

2.2.3传感器方面

两种电动机运行均需要转子位置反馈信息，永磁同步电动机正常运行要求正弦波电流，无刷直流电动机要求的电流是矩形波，这导致它们在转子位置传感器选择上的很大差异。无刷直流电动机中的矩形电流导通模式只需要检测电流换相点。因此，只需要每60°电角度检测转子位置一次。此外，在任何时间只有两相通电，它只需要低分辨率转子位置传感器，例如霍尔传感器，它的结构简单，成本较低。
但是，在永磁同步电动机每相电流需要正弦波，所有三相都同时通电，连续转子位置检测是必需的。它需要采用高分辨率转子位置传感器，常见的是10bit以上的绝对型光电编码器，或解算器（旋转变压器）与R/D转换器（旋转变压器/数字转换器）的组合，成本比三个霍尔集成电路要高得多。

2.2.4转速的调速范围

永磁同步电动机能够比有相同参数的无刷直流电动机有更高的转速，这是由于无刷直流电动机当其反电动势等于直流母线电压时已经达到最高转速。而永磁同步电动机可实施弱磁控制，所以速度范围更宽。

2.2.5逆变器容量要求

如果逆变器的连续额定电流为Ip，并假设控制最大反电动势为Ep。当驱动永磁同步电动机时，最大可能输出功率是：

如果这个逆变器也用来驱动无刷直流电动机，它的输出功率将是2EpIp，两者之比为4/3=1.33。
因此，对于给定的连续电流和电压的逆变器，理论上可以驱动更大功率的无刷直流电动机，其额定功率比永磁同步电动机可能提高33%。但由于无刷直流电动机铁损耗的增加将减少这个百分数。反过来说，当被驱动的两种电动机输出功率相同时，驱动无刷直流电动机的逆变器容量将可减小33%。
综上所述，正弦波驱动是一种高性能的控制方式，电流是连续的，理论上可获得与转角无关的均匀输出转矩，良好设计的系统可做到3%以下的低纹波转矩。因此它有优良的低速平稳性，同时也大大改善了中高速大转矩的特性，铁心中附加损耗较小。从控制角度说，可在一定范围内调整相电流和相电动势相位，实现弱磁控制，拓宽高速范围。正弦波交流伺服电动机具有较高的控制精度。其控制精度是由电动机同安装于轴上的位置传感器及解码电路来决定的。因此，在对电动机运行平稳性要求不高、对出力要求高时，宜采用控制简单的方波驱动，若对电动机有高的稳速精度要求，宜采用控制复杂的正弦波驱动。

3.小结

与正弦波驱动相比较，方波驱动有如下优点：
1）转子位置传感器结构较简单，成本低；
2）位置信号仅需作逻辑处理，电流环结构较简单，伺服驱动器总体成本较低；
3）伺服电动机有较高材料利用率，在相等有效材料情况下、方波工作方式的电动机输出转矩约可增加15%。方波驱动主要缺点是：
1）转矩波动大；
2）高速工作时，矩形电流波会发生较大的畸变，会引起转矩的下降；
3）定子磁场非连续旋转，定子铁心附加损耗增加。
与方波驱动相比较，正弦波有如下优点：
1）可实现高精度的控制，转矩波动小；
2）通过弱磁控制以扩速，增大了转速的调速范围；
3）正弦波的电流驱动模型更加方便且容易实现，不同于方波驱动带来的不确定性；
4）定子磁场通过正弦波的方式形成圆形连续磁场，定子铁心附加损耗较小。
正弦波驱动的主要缺点：
1）其控制精度是由电动机同安装于轴上的位置传感器及解码电路来决定的。因此，转子位置传感器结构复杂，成本高；
2）逆变器的容量要求设计更大；
3）其输出转矩较小，且材料利用率不高和电流信号处理更加复杂。
总而言之，一般性能的速度调节系统和低分辨率的位置伺服系统可以采用无刷直流电动机，而高性能的速度伺服和像机器人位置伺服应用宜采用永磁同步电动机。

如果用一句话来勉励自己也送大家。那么仰望星空，脚踏实地；前路有光，初心莫忘。

BLDC电机基础