1 .永磁无刷直流电机介绍永磁无刷直流电机是随着半导体电子技术的发展而出现的新型机电一体化电机，由电机和电子驱动器组成。 如图1所示。
图1是无刷直流电动机基本结构框图
1.1电动机和发电机研究点对电动运行的电动机来说，往往关注(对电动机来说)其输出情况(输出转矩)，因此3358 www.Sina.com /是研究的重点，如电动机的启动、调速由于关注发电运行的电机(对发电机而言)电机3358www.Sina.com/，机械特性曲线，输出的电压幅值与功率和http://www.Sina 将转子用作输入时。 假设定子为输出，则为永磁无刷直流发电机。 两者本质上没有结构上的差异，但关注的研究点不同，形成的理论研究和设计当然也不同。 这里主要介绍永磁无刷直流电机的相关知识。
1.2永磁无刷直流电机的分类一般情况下，电机的三相电枢绕组与单极性非桥型电子逆变电路连接，或与120导通型半桥逆变电路(2、3相6状态导通方式)连接时； 驱动电压为直流矩形波电压，优选转子的永久磁铁磁极动作而在气隙内产生矩形波或接近梯形波的磁场，进而在电枢绕组内感应矩形波或接近梯形波的反电动势； 电动机运行时，三相电枢绕组通常一相和一相交替导通，或者两相和两相交替导通，在工作气隙内产生“跳跃式”旋转磁场。 这种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 )。
一般来说，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)连接； 驱动电压为正弦脉宽调制后的脉冲电压或空间矢量脉宽调制后的脉冲电压，转子的永磁体磁极优选在工作气隙内产生接近正弦波形的磁场，在电枢绕组内感应接近正弦波形的反电动势； 电动机运行中，三相电枢绕组同时接通，工作气隙内产生“连续式”圆形旋转磁场。 将这样永磁电动机称为自控永磁同步电动机(PMSM ) .
简而言之，永磁无刷直流电机根据电流驱动模式的不同分为xrpdjc驱动电机和正弦波驱动电机两种。 前者称为无刷直流电机(BLDC )，后者称为永磁同步电机(PMSM )。
2.BLDCM与PMSM的区别端电压与负载电流的外特性曲线)这些电机都是永磁电机，转子由永磁体构成，定子装有多相交流绕组； 通过永久磁铁(PM )转子与定子的交流电流的相互作用产生电动机的转矩； 流过绕组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从转子位置传感器获得，也可以像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 )等方法获得。
永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本结构相同，但实际设计细节上的差异取决于它们如何驱动。 像无刷直流电动机(BLDC )一样，转子磁极通常使用瓦型磁钢，径向磁化。 通过磁路的设计，可以得到梯形波的气隙磁密度。 定子绕组大多使用集中整距绕组，因此感应反电动势也为梯形波。 无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，需要位置传感器，或者采用无位置传感器的估计技术，构成自主式调速系统。 各相电流也控制在xrpdjc，逆变器输出电压采用带刷直流电机PWM的方法控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是永磁同步电动机，调速实际上也属于变压变频调速的范畴。
另一方面，如永磁同步电动机(PMSM )扇形瓦型磁钢，具有轴向磁化、定子的三相分布绕组和永磁转子，保证磁路结构和绕组分布感应的电动势波形为正弦波，施加的定子电压和电流也必须为正弦波，一般由交流变压逆变器供给永磁同步电机控制系统始终采用自主式，还需要位置反馈信息，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。
由于两者的驱动主要是电流驱动模式的不同，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、速度反馈信息的获取和控制算法等方面存在明显的差异
2.1BLDCM和PMSM的转矩产生原理
图2理想的两种电流驱动模式的磁通密度分布、反电动势、相电流、电磁转矩波形
2.1.1xrpdjc驱动的转矩产生原理假设研究单相绕组在120正向导通范围内产生的转矩。有功功率调节的功角特性曲线理想情况下，无刷直流电机应设计气隙磁通密度分布，使各相绕组的反电动势波形为具有平顶部的梯形波，其平顶部的宽度应尽量接近120。 通过转子位置传感器，该无功功率调节的V形曲线如图2(b )所示。 这样，在120的范围内，该相电流产生的电磁功率和电磁转矩都是一定值。 由于各相绕组的正向导通和反向导通的对称性和三相绕组的对称性，总合成电磁转矩与角位置无关而为一定值。
r> 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，xrpdjc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xrpdjc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。
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。
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。
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。
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xrpdjc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。
与正弦波驱动相比较，xrpdjc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、xrpdjc工作方式的电动机输出转矩约可增加15%。xrpdjc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xrpdjc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xrpdjc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