直流永磁同步无刷电机
无刷直流电机与永磁同步电机的运行控制比较
8
无刷直流电机的数学模型
电压方程：
u A NR00 iA L M 0 0iA eA u ON u B N 0R0 iB p 0 L M 0 iB eB u O N u C N 00R iC 0 0 L M iC e C u O N
iq
恒转矩 轨迹
id m
m2 4 Ld Lq
2 Ld Lq
2iq2
id
iq il2imid2
b
p
ulim
Lqilim2m 2Ld1Lq6L Cd2L 8 q mLqC
(C m m 2 8L d L q2 il2i) m
27
永磁同步电机的基本控制方法
3、恒功率弱磁控制：
T3
T3
t T3
t T3
t
t
T6
T6
t T6
t T6
t
t
T5
T5
t T5
t T5
t
t
T2
T2
t T2
t T2
t
t
0 60 120 1800 2406 030102 03 6108 04 22040 300 03 60604201 20 1800 2406 030102 03 6108 04 22040 300 360 420
iq
ulim 2 Ld id 2
Lq
id
m
Ld
id
iq
电流极限圆
最大功率
输出轨迹
A1
1 2 3
A2 O
id
电压极限椭圆
idm m 4 2 8 1 L d 12ulim 2
29
永磁同步电机矢量控制系统
经典永磁电机矢量控制系统（SPM电机）
无刷直流电机与永磁同步电机的比较研究_张勇
。对于 BLD-
CM 和 PMSM 的无位置传感器控制方法，基于反电动 势过 零 检 测 的 方 法 只 适 用 于 BLDCM， 不 适 用 于 PMSM。其余均适用于 PMSM 和 BLDCM 的无位置传 感器控制法有电感法、基于观测器法、 人工智能法、 磁链法等
［89 ］
2
结构比较
BLDCM 和 PMSM 的基本结构相似。以三相全桥
Comparison Study of Brushless DC Motors and Permanent Magnet Synchronous Motors
ZHANG Yong，CHENG Xiaohua （ School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510460 ，China） Abstract： Brushless DC motor and permanent magnet synchronous motor has many similarities， but there are also some differences between them． The define methods of the brushless DC motor with permanent magnet synchronous motor was analyzed in the paper， the structures between them was compared， The operational performance indicators such as the speed range， starting performance， torque ripple， energy consumption and efficiency，the maximum transmission power capability of the motor， parameter sensitivity of brushless DC motor and permanent magnet synchronous motors were compared，and detailed theoretical explanation or proof was given． Based on the above comparison， the similarities and differences between the two was understood，meaningful guidance was given in the actual selection of the motor case． Key words： brushless DC motor； permanent magnet synchronous motor； structure； operating performance 造成知其然不知其所以然的局面。 为此， 本文立足 前人研究的科研成果，对 BLDCM 和 PMSM 做了一个 系统的理论比较，为同行的学习、 研究起指导作用， 为各生产企业选用电机提供一定参考价值 。
永磁无刷直流电机简介
表贴凸出式和插入式转子磁路构造图
电气学院
1）表贴凸出式转子磁路构造 • 其构造简朴，制造成本较低，转动惯量较小，多用于矩形
波永磁同步电动机和恒功率运营范围不宽旳永磁同步电动 机中
2）表贴插入式转子磁路构造 • 这种构造可充分利用转子构造磁路旳不对称性所产生旳磁
阻转矩，提升电机旳功率密度。制造工艺也较简朴。一般 用于某些调速永磁同步电动机中。
B
（2）空载时铁心中旳附加（或杂散）损耗，它是由定转子开槽引起旳气隙磁导变化 而产生旳谐波磁场在对方表面产生旳表面损耗及脉振损耗。 （3）电气损耗，是由工作电流在绕组中产生旳损耗，对直流电机或同步电机而言， 也涉及电刷在换向器或集电环上旳接触电阻损耗。
（4）负载时旳附加（或杂散）损耗，是由定子或转子电流所产 生旳漏磁场在定、转子绕组里和铁心及构造件里引起旳多种损耗。
• 假如将一只霍尔传感器安装在接近转子旳位置，当N极逐渐接近 霍尔传感器即磁感应强度到达一定值时，其输出是导通状态；
• 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出依 然保持导通状态；只有磁场转变为S极并到达一定值时，其输出 才翻转为截止状态。
• 在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。 • 假如转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一种周期旳
✓ 具有很好旳力学特征，韧性好、抗压强度高、可加工等
✓ 价格合理，经济性好
电气学院
• 铁氧体：适合于对电机体积、重量和性能要求不高，而对电机旳经济 性要求高旳场合。
• 铝镍钴：适合于对电机体积、重量和性能要求不高，但工作温度超出 300度或要求温度稳定性好且电机旳成本不高旳场合。
• 钕铁硼：适合于对电机体积、重量和性能要求很高，工作环境温度不 高，对永磁体温度稳定性要求不高旳场合。
无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较
无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较1.在电动机结构与设计方面这两种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。
此外，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.转矩波动两种电动机性能最引人关注的是在转矩平稳性上的差异。
运行时的转矩波动由许多不同因素造成，首先是齿槽转矩的存在。
已研究出多种卓有成效的齿槽转矩最小化设计措施。
例如定子斜槽或转子磁极斜极可使齿槽转矩降低到额定转矩的1%～2%以下。
原则上，永磁同步电动机和无刷直流电动机的齿槽转矩没有太大区别。
其他原因的转矩波动本质上是独立于齿槽转矩的，没有齿槽转矩时也可能存在。
如前所述，由于永磁同步电动机和无刷直流电动机相电流波形的不同，为了产生恒定转矩，永磁同步电动机需要正弦波电流，而无刷直流电动机需要矩形波电流。
但是，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。
用于电动汽车的7种类型电机介绍
用于电动汽车的7种类型电机介绍电动汽车可以采用7种类型的电机，它们是什么?分别具有什么特点?本视频将给出答案。
用于电动汽车的电机有7种类型，分别是：有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、感应电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机和轴向磁通无铁心永磁电机。
有刷直流电机是最简单的直流电机,它利用电刷通过机械换向将电流传给电机绕组。
电枢或转子是电磁体，磁场是永磁体。
这种电机无需控制器来操作或改变速度，低速时能提供最大扭矩。
缺点是结构笨重、效率低、电刷会生热并导致效率低下，热量在转子中心而难以消除。
因此，有刷直流电机已不再用于电动汽车。
无刷直流电机带永磁体，因无换向器和电刷而被称为无刷。
它采用电子换向，免维护，具有起动转矩大、效率高达95%-98%的牵引特性，适合高功率密度设计。
这种牵引特性使无刷直流电机在电动汽车中应用广泛，适用于最大功率60千瓦的小型汽车。
缺点是恒功率范围有限、扭矩随速度增大而减小、永磁体导致成本高昂。
丰田普锐斯就采用了无刷直流电机。
永磁同步电机的转子上有永磁体，它具有高功率密度和高效率的牵引特性，可用于更高的额定功率，因而比其他电机昂贵。
这种电机能在不同的速度范围内工作，无需齿轮系统。
它高效紧凑，适合轮毂应用，低速时也具有高扭矩。
缺点是在轮毂中高速运行时铁耗严重。
目前永磁同步电机多用于混动和电动汽车，如雪佛兰Bolt、福特Focus、日产Leaf和宝马i3。
感应电机不像直流电机那样能在固定电压和固定频率下产生高起动转矩。
但这可以利用各种控制方法来改变，如矢量控制或磁场定向控制。
利用这些控制方法，可以在电机起动时获得满足牵引所需的最大扭矩。
鼠笼式感应电机维修少、使用寿命长，设计效率可达92%-95%。
缺点是需要复杂的逆变电路，电机控制困难。
由于成本低，感应电机成为高性能电动汽车的首选。
特斯拉ModelS就是证明感应电机性能高的最好例子。
丰田RA V4 和通用EV1 也使用了这种电机。
开关磁阻电机是具有双重显著性的一类可变磁阻电机，结构简单坚固，转子是一块无绕组或永磁体的叠压钢片。
永磁电机简要分类
变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控 制系统构成自同步永磁电动机，既具有电励磁直流 电动机的优异调速特性，又实现了无刷化，在要求 高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数 控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外 围设备和家用电器等方面都获得广泛应用。通常， 反电动势和供电电流波形都是矩形波的电动机称之 为无刷直流永磁电动机；反电动势和供电电流波形 都是正弦波的电动机，称为永磁同步电动机。
直流永磁电机虽然省却了电励磁系统，由于用“电 刷/换向器”机械接触机构，换向火花、电磁干扰、 寿命短和可靠性等问题仍然存在，极大限制了其使 用范围。 随着微电子器件和电力电子器件方面的进步和发展， 电子换向替代机械换向的技术日益成熟，无刷直流 永磁电机迅猛发展起来。如日常生活中几乎随处可 见的电动摩托车、电动自行车，全部采用了外转子 无刷直流永磁电机。
运行性能方面，有刷直流电动机电枢绕组的元件数 和换向器的换向片数多于无刷直流电动机电枢绕组 的相数，运行过程中有较大的差别：有刷直流电动 机的磁极磁场与电枢磁场始终处于正交状态，而无 刷直流电动机的磁极磁场与电枢磁场在某一角度范 围内变动，正交状态仅只是其中的一个瞬时位置。 因此，在其他条件相同的情况下，在运行过程中， 无刷直流电动机的力矩脉动要大于有刷直流电动机 的力矩脉动，无刷直流电动机的电磁力矩要小于有 刷直流电动机的电磁力矩。
永磁同步电机与传统的电励磁同步电机运行原理相 同。因不需要励磁绕组和直流励磁电源，故取消了 容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机。
永磁发电机制成后难以调节磁场以控制其输出电压 和功率因数，从而限制了它的使用范围。如直驱式 永磁风力发电机，与电网间的能量交换必须通过变 频器实现，无法直联。
直流无刷电机与永磁同步电机的比较
直流无刷电机BLDCM与永磁同步电机PMSM勺比较直流无刷电机BLDCMBrushless Direct Current Motor永磁同步电机(交流无刷电机) PMSM(BLACM)Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor)1 PMSM和BLDCM相同点和不同点1.1 PMSM和BLDCM勺相似之处两者其实都是交流电机，起源不同但从结构上看，两者非常相似。
PMSM起源于饶线式同步电机，它用永磁体代替了绕线式同步电机的激磁绕组，它勺一个显著特点是反电势波形是正弦波，与感应电机非常相似。
在转子上有永磁体，定子上有三相绕组。
BLDCM起源于永磁直流电机，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。
转子上有永磁体，定子上有三相绕组。
1.2 PMSM和BLDCM勺不同之处反电势不同，PMSMI有正弦波反电势，而BLDCM具有梯形波反电势。
定子绕组分布不同，PMSM采用短距分布绕组，有时也采用分数槽或正弦绕组，以进一步减小纹波转矩。
而BLDCM采用整距集中绕组。
运行电流不同，为产生恒定电磁转矩，PMSM需要正弦波定子电流；BLDCM需要矩形波电流。
PMSM和BLDCM反电势和定子电流波形如图1所示。
永磁体形状不同，PMSM永磁体形状呈抛物线形，在气隙中产生的磁密尽量呈正弦波分布；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，每相电流相差120°电角度，要求有位置传感器。
BLDC咏用绕组两两导通，每相导通120°电角度，每60。
电角度换相，只需要换相点位置检测。
正是这些不同之处，使得在对PMSM和BLDCM勺控制方法、控制策略和控制电路上有很大差别。
2 PMSM和BLDCM特性分析2.1 按照空间应用中最关心勺特性：功率密度、转矩惯量比、齿槽转矩和转矩波动、反馈元件、逆变器容量等特性对PMSM和BLDCM进行对比分析。
新能源汽车驱动电机分类及其特点
新能源汽车驱动电机分类及其特点1.根据结构和工作原理分类驱动电机按照工作电源种类可分为直流电机和交流电机。
按结构和工作原理可分为直流电机、异步电机、同步电机。
目前，在新能源汽车领域，常用的驱动电机有直流电机（DC Motor）、感应电机（IM）、直流无刷电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）以及开关磁阻电机（SRM）等。
（1）直流电机。
在电动汽车发展的早期，很多电动汽车都是采用直流电机方案。
主要是看中了直流电机的产品成熟，控制方式容易，调速优良的特点。
但由于直流电机本身的短板非常突出，其自身复杂的机械结构（电刷和机械换向器等），制约了它的瞬时过载能力和电机转速的进一步提高；而且在长时间工作的情况下，电机的机械结构会产生损耗，提高了维护成本。
此外，电机运转时的电刷火花会使转子发热，浪费能量，散热困难，还会造成高频电磁干扰，这些因素都会影响整车性能。
由于直流电机的缺点非常突出，目前的电动汽车已经将直流电机淘汰。
（2）交流异步电机。
交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机，其特点是定、转子由硅钢片叠压而成，两端用铝盖封装，定、转子之间没有相互接触的机械部件，结构简单，运行可靠耐用，维修方便。
交流异步电机与同功率的直流电机相比效率更高，质量约轻了1/2。
如果采用矢量控制的控制方式，可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。
由于有着效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势，交流异步电机是目前大功率电动汽车上应用较广的电机。
但在高速运转的情况下电机的转子发热严重，工作时要保证电机冷却，同时交流异步电机的驱动、控制系统很复杂，电机本体的成本也偏高，另外，运行时还需要变频器提供额外的无功功率来建立磁场，故相与永磁电机和开关磁阻电机相比，交流异步电机的效率和功率密度偏低，不是能效化的选择。
汽车一般以一定的高速持续行驶，所以能够让高速运转而且在高速时有较高效率的交流异步电机得到广泛应用。
（3）永磁同步电机。
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做arctg 求角度。
FOC无位置传感器运行简介
三相拓扑： 按照此拓扑图，在程序中A相为PWM1所控制，B相为PWM2所控制，所测电流也与之 对应。
FOC电机控制技术介绍 使用dsPIC实现FOC 4
使用dsPIC实现FOC
转子的坐标系
统，这是根据
当时转子的实
际位置转换的。
β
FOC电机控制坐标变换简介
根据转子实际
位置建立坐标，
以转子力臂方
α
向为Y轴，垂
直方向为X轴，
A/B/C三个分
量使用完毕不
再需要。
β
FOC电机控制坐标变换简介
将坐标轴转至容
易观察的位置，
alpha及beta在
两轴上的投影就
是q分量及d分
q
量，q分量是推
FOC电机控制技术背景
使用两个数学变换：Clarke 变 换和 Park 变换，根据A、B两 相电流计算出相对转子的q、d 轴的作用电流，也即相当于得 到相对于转子力臂垂直方向和 轴向的作用力。
FOC电机控制技术介绍 FOC电机控制坐标变换简介 2
FOC电机控制坐标变换简介
2.1 CLARKE 变换
2.FOC 怎样保证驱动力与转子力臂轴垂直？ 该测量什么信号作为参考？
FOC电机控制技术背景
FOC（Field Oriented Control， 磁场定向控制） 与 SVPWM（空 间矢量脉宽调制， Space Vector Pulse Width Modulation）的相同点与不同点
FOC电机控制技术背景
3.1 单片机实现FOC 所需要的条件
单片机实现FOC 所需要的条件
1.位置传感器分辨率至少高于1度（电角度）； 2.需要至少同时采样 A、B两相电流，同时还要兼顾其他诸 如电源电压、调速电压、温度等模拟量，AD精度10BIT以 上； 3.由于 Clarke 变换、Park 变换以及后面的逆运算、PID 运算均需要大量乘法运算，所以单指令周期乘法器是必须 的； 4. 所有以上运算均需在一个PWM周期内完成。 5.具备马达驱动所需3组互补型PWM，并且要有较高的 PWM分辨率； 6.若干外部中断、定时器等外设。
FOC无位置传感器运行简介
电机的数学模型构成：
输入电压 Vs；电机及引线内阻 R；电机绕组电感L；电机反电动势 es等组成，由Vs
输入电压在后面负载上产生电流。
FOC无位置传感器运行简介
参数说明：R/L应是电机A/B两相间所测参数的1/2，电感使用LCR测试仪 1K档测试为 准，电阻以0.5-1A电流下的压降计算值为准。而图中的Vs，可以简化为Vα，Vβ分量的
动转子运转的力
量，而d分量对
转子产生励磁效
应。
α
d β
FOC电机控制技术介绍 FOC无位置传感器运行简介 3
FOC无位置传感器运行简介
由于电机反电动势与转子位置一一对 应，这给电机的无传感器运行带来可 能，但由于每个相线在整个正弦周期 始终处于通电状态，我们无法像方波 驱动电机那样直接通过测量反电势来 判断电机的位置，所以要通过建立电 机模型，通过检测电流的变化来推断 电机的反电动势。
PS：三相电机的正弦波，是指电机相线间的波 形，而不是相线对地的波形。
FOC电机控制技术背景
FOC 怎样保证磁场驱 动力与转子力臂轴的 相对？该测量什么信 号作为参考？
FOC电机控制技术背景
该测量什么信号作为参考？ 在定子设计的正常工作范围内（定子 工作在非饱和区间的类线性范围）， 定子电流在定子铁心上产生的磁感应 强度与定子电流成正比，所以测量定 子电流即可按比例得到磁感应强度的 大小等等信息。
相同点： 在负载、电压、电流等条件稳 定的情况下，两者输出均为三 相正弦波电压，相电流也同样 是正弦波。
FOC电机控制技术背景
不同点： FOC 以磁场定向为控制依据，通过PID运算，使 磁场作用力方向始终跟踪转子位置，三相输出电 压的相位、角度在负载突变情况下不一定和转子 位置同步；而SVPWM只是根据转子位置设定三 相正弦波的输出电压，电压的相位、角度始终与 转子同步。
FOC电机控制技术介绍
FOC电机控制技术背景 1 FOC电机控制坐标变换简介 2 FOC无位置传感器运行简介 3
机控制技术背景 1
FOC电机控制技术背景
六步换向法控制永磁同步电机 具有结构、控制相对简单等特点， 但缺点是转矩脉动比较大，效率较 低，磁场定向控制（Field Oriented Control， FOC）给电机 控制提出了一个新概念，可以有效 减小转矩脉动、显著提高系统效率。
FOC电机控制技术背景
在 六 步 换 向 法 中 ， 定 子 磁 场 扭 矩 只 有 六 个 方 向
FOC电机控制技术背景
转子在60°范围内受力方向始终不变，造成定子磁场形成的扭力与转子力臂轴的夹角 不能维持在90度，而且转矩力度也没有精确控制，这样的控制方法不利于提高电机效 率及动态响应。
FOC电机控制技术背景
FOC电机控制坐标变换简介
Clarke 变换 就是将三相 磁场力矢量 转换成X、Y 轴上的分量。 也即将三轴 系统变换成 两轴系统。
FOC电机控制坐标变换简介
为了计算方
便，我们以
A相电流正
α
方向为X轴
正方向，其
余两相分别
与A相相差
±120°
β
FOC电机控制坐标变换简介
去掉电机模 型，三相电 流方向大小 如图，注意 电机任意时 刻，三相线 圈电流的矢 量和等于零。
FOC的概念就是，让定子磁场形成的扭力始终与转子力臂轴相垂直，也就是说，站 在转子的角度，有个力量在力臂垂直的角度始终朝一个方向推动它。
FOC电机控制技术背景
Q： 1.FOC（Field Oriented Control，磁场定 向控制） 与 SVPWM（空间矢量脉宽调制， Space Vector Pulse Width Modulation） 的相同点与不同点是什么？
FOC电机控制坐标变换简介
将三相电流矢量
投影在X轴和Y轴
上求得X方向和Y
轴方向上的合成
α
矢量之后，就完
成了 Clarke 变
换，也即两轴系
统。我们得到两
个分量： α和β
分量。
β
FOC电机控制坐标变换简介
2.2 PARK 变换
FOC电机控制坐标变换简介
PARK 变换就
是将相对于定
子的坐标系统
α
转换成相对于