直流無(wú)刷電機(jī)與永磁同步電機(jī)的比較.doc

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直流無(wú)刷電機(jī)BLDCM與永磁同步電機(jī)PMSM的比較 直流無(wú)刷電機(jī)BLDCM Brushless 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相同點(diǎn)和不同點(diǎn) 1.1 PMSM和BLDCM的相似之處 兩者其實(shí)都是交流電機(jī)，起源不同但從結(jié)構(gòu)上看，兩者非常相似。 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，它的一個(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(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，定子上有三相繞組。 1.2 PMSM和BLDCM的不同之處 反電勢(shì)不同，PMSM具有正弦波反電勢(shì)，而B(niǎo)LDCM具有梯形波反電勢(shì)。 定子繞組分布不同，PMSM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B(niǎo)LDCM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，PMSM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，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(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。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(diǎn)位置檢測(cè)。正是這些不同之處，使得在對(duì)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(dòng)、反饋元件、逆變器容量等特性對(duì)PMSM和BLDCM進(jìn)行對(duì)比分析。 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)于給定的輸出功率，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)定子表面積的限制。對(duì)于永磁電機(jī)，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(duì)于一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)尺寸，電機(jī)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(jī)的輸出功率。 PMSM中，正弦波電流可以通過(guò)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(jī)的最大加速度，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)锽DLC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(dòng)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(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(guò)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)絕大多數(shù)工作在低速場(chǎng)合，因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)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(wèn)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、電流換相引起的轉(zhuǎn)矩及機(jī)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(dòng) 在永磁電機(jī)的電樞電流為零的情況下,當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),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(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。PMSM和BDLC中的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)沒(méi)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PMSM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,引起的轉(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，引起較大的轉(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倍。而在PMSM中產(chǎn)生正弦波電流是連續(xù)的，PMSM理想運(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，PMSM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(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電流控制器開(kāi)關(guān)頻率將引起B(yǎng)LDCM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PMSM中，也會(huì)出現(xiàn)由滯環(huán)或PWM電流控制器引起的高頻轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，通常比較小，并由于開(kāi)關(guān)頻率較高，很容易被轉(zhuǎn)子慣量過(guò)濾掉。 因此，從轉(zhuǎn)矩波動(dòng)看，PMSM比BDLC具有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(hào)反饋元件 PMSM需要正弦波電流，而B(niǎo)LDCM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(jiàn)的位置傳感器是霍爾位置開(kāi)關(guān)。在PMSM中，需要正弦波電流，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(jiàn)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(gè)低分辨率的傳感器，從這一點(diǎn)看，如果換相引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(méi)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(jiàn)PMSM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(jiàn)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(guò)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。 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(jiàn)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(hào)的極性，就可以使PMSM方便地在四象限運(yùn)行。而在BLDCM位置伺服系統(tǒng)中，必須經(jīng)過(guò)運(yùn)行狀態(tài)（正、反轉(zhuǎn)，電、制動(dòng)）判別后，經(jīng)過(guò)邏輯控制單元產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，再與PWM信號(hào)綜合后驅(qū)動(dòng)功率電路，從而控制BLDCM的運(yùn)行。