直流無刷電機與永磁同步電機的比較.doc

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直流無刷電機BLDCM與永磁同步電機PMSM的比較 直流無刷電機BLDCM Brushless Direct Current Motor 永磁同步電機(交流無刷電機) PMSM(BLACM) Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor) 1 PMSM和BLDCM相同點和不同點 1.1 PMSM和BLDCM的相似之處 兩者其實都是交流電機，起源不同但從結(jié)構(gòu)上看，兩者非常相似。 PMSM起源于饒線式同步電機，它用永磁體代替了繞線式同步電機的激磁繞組，它的一個顯著特點是反電勢波形是正弦波，與感應(yīng)電機非常相似。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，它將永磁直流電機結(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，定子上有三相繞組。 1.2 PMSM和BLDCM的不同之處 反電勢不同，PMSM具有正弦波反電勢，而BLDCM具有梯形波反電勢。 定子繞組分布不同，PMSM采用短距分布繞組，有時也采用分?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。 運行電流不同，為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，PMSM需要正弦波定子電流；BLDCM需要矩形波電流。PMSM和BLDCM反電勢和定子電流波形如圖1所示。 永磁體形狀不同，PMSM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。 運行方式不同，PMSM采用三相同時工作，每相電流相差120電角度，要求有位置傳感器。BLDCM采用繞組兩兩導(dǎo)通，每相導(dǎo)通120電角度，每60電角度換相，只需要換相點位置檢測。正是這些不同之處，使得在對PMSM和BLDCM的控制方法、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)心的特性：功率密度、轉(zhuǎn)矩慣量比、齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動、反饋元件、逆變器容量等特性對PMSM和BLDCM進(jìn)行對比分析。 2.1功率密度 在機器人和空間作動器等高性能指標(biāo)應(yīng)用場合，對于給定的輸出功率，要求電機重量越小越好。功率密度受電機散熱能力即電機定子表面積的限制。對于永磁電機，絕大多數(shù)的功率損耗產(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。所以對于一個給定的結(jié)構(gòu)尺寸，電機損耗越小，允許的功率密度就越高。假設(shè)PMSM和BLDCM的渦流損耗、磁滯損耗和銅耗相同，比較兩種電機的輸出功率。 PMSM中，正弦波電流可以通過滯環(huán)或PWM電流控制器得到，而銅耗基本上由電流決定。 所以，在相同的尺寸下，BDLCM與PMSM相比，可以多提供15%的功率輸出。如果鐵耗也相同，BDLCM的功率密度比PMSM可提高15%。 2.2轉(zhuǎn)矩慣量比 在伺服系統(tǒng)中，通常要求電機的最大加速度，轉(zhuǎn)矩慣量比就是電機本身所能提供的最大加速度。因為BDLC可以比PMSM多提供15%的輸出功率，所以它可獲得被PMSM多15%的電磁轉(zhuǎn)矩。如果BDLC和PMSM具有相同速度，它們的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量也相同，那么BDLC的轉(zhuǎn)矩慣量比要比PMSM大15% 2.3齒槽轉(zhuǎn)矩和波動轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩脈動是機電伺服系統(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。但在低速和直接驅(qū)動應(yīng)用場合，轉(zhuǎn)矩波動將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，將使系統(tǒng)的精度和重復(fù)性惡化。而空間精密機電伺服系統(tǒng)絕大多數(shù)工作在低速場合，因此電機轉(zhuǎn)矩脈動問題是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。 PMSM和BLDCM都存在轉(zhuǎn)矩脈動問題。轉(zhuǎn)矩脈動主要有以下幾個原因造成：齒槽效應(yīng)和磁通畸變、電流換相引起的轉(zhuǎn)矩及機械加工制造引起的轉(zhuǎn)矩。 a.齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動 在永磁電機的電樞電流為零的情況下,當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,由于定子齒槽的存在,定子鐵芯磁阻的變化產(chǎn)生了齒槽磁阻轉(zhuǎn)矩,齒槽轉(zhuǎn)矩是交變的,與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān),它是電動機本身空間和永磁場的函數(shù)。在電機制造上,將定子齒槽或永磁體斜一個齒距,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的出力。PMSM和BDLC中的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動沒有明顯的差別。 b.磁通畸變和換相電流畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動 磁通畸變和電流畸變是指PMSM中氣隙磁場、反電勢和電樞電流是非正弦波，BLDCM中氣隙磁場和反電勢非梯形波，電樞電流是非矩形波。氣隙磁場和電樞電流相互作用后會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，反電動勢與理想波形的偏差越大,引起的轉(zhuǎn)矩脈動越大。BLDCM中,電機的電感限制了換相時繞組電流的變化率，定子繞組電流不可能是矩形波。只能得到梯形波電流，引起較大的轉(zhuǎn)矩波動。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，這會造成轉(zhuǎn)矩的脈動，脈動頻率為基波的6倍。而在PMSM中產(chǎn)生正弦波電流是連續(xù)的，PMSM理想運行狀態(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，而實際上，PMSM中氣隙磁密度也并非完全是正弦波分布，無疑也會引起了轉(zhuǎn)矩脈動。但它和電樞電流波形不匹配引起的轉(zhuǎn)矩波動要比BDLC中的轉(zhuǎn)矩波動小的多，況且PMSM定子合成磁通是平滑地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此PMSM的轉(zhuǎn)矩波動明顯要小于BLDCM。 c.逆變器電流控制環(huán)節(jié)引起的轉(zhuǎn)矩脈動 在BLDCM中，電流滯環(huán)控制器中滯環(huán)寬度和PWM電流控制器開關(guān)頻率將引起B(yǎng)LDCM實際電流圍繞期望電流上下高頻波動，電機轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)高頻波動，通常幅度要低于換相電流引起的轉(zhuǎn)矩波動。 在PMSM中，也會出現(xiàn)由滯環(huán)或PWM電流控制器引起的高頻轉(zhuǎn)矩波動，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)矩波動看，PMSM比BDLC具有明顯的優(yōu)勢，BDLCM適合用在低性能低精度的速度和位置伺服系統(tǒng)。而PMSM適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，只要正確檢測出這些換相點，就能保證電機正常運行，在通常的機電系統(tǒng)中最常見的位置傳感器是霍爾位置開關(guān)。在PMSM中，需要正弦波電流，電流幅值由轉(zhuǎn)子瞬時位置決定，電機工作時所有三相繞組同時導(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構(gòu)成的速度伺服系統(tǒng)中，只需要一個低分辨率的傳感器，從這一點看，如果換相引起的轉(zhuǎn)矩波動可以接受，BLDCM比PMSM更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相比沒有優(yōu)勢。 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PMSM位置伺服系統(tǒng)和BLDCM位置伺服系統(tǒng)為例說明主要區(qū)別。 基于三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的PMSM轉(zhuǎn)子磁場定向位置伺服系統(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軸勵磁分量id=0，準(zhǔn)確檢測出轉(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。 基于三環(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PMSM和BLDCM組成的伺服系統(tǒng)兩者最大的區(qū)別在于電流環(huán)的控制上。在PMSM位置伺服系統(tǒng)中，只要改變給定位置信號的極性，就可以使PMSM方便地在四象限運行。而在BLDCM位置伺服系統(tǒng)中，必須經(jīng)過運行狀態(tài)（正、反轉(zhuǎn)，電、制動）判別后，經(jīng)過邏輯控制單元產(chǎn)生功率開關(guān)控制信號，再與PWM信號綜合后驅(qū)動功率電路，從而控制BLDCM的運行。