BLDC与PMSM的性能对比
PMSM和BLDCM
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理
• 该模式下，磁场步进幅度为60°，1/6周期。 • 转子每转过60°，功率管换流一次，一个周期6次，共6个状态。 • 每个功率管每周期导通120°。
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理
一、无刷直流电机
位置传感器作用：检测转子磁场相对于定子绕组 的位置。
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理
无刷直流电动机中，根据位置传感器的信号，按照一定的规 律，使某些功率元件在某一瞬时导通或截止，从而接通或断 开相应的电枢绕组中的电流。电枢绕组内电流导通或断开的 变化过程称为换流。
一、无刷直流电机
一、无刷直流电机
2、直流电机、无刷直流电机结构的比较
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理 然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢 通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依 然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子 电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子 磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场 与转子永磁磁场始终保持一定的空间角度，产生 转矩推动转子旋转。
3、无刷直流电机的工作原理
• 1、A相导通，产生磁势Fa，电机顺时针转过120° • 2、B相导通，产生磁势Fb，电机顺时针转过120° • 3、C相导通，产生磁势Fc，电机顺时针转过120°
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理
三相通电顺序
一、无刷直流电机
3、无刷直流电机的工作原理 从以上过程可以看出，电机运行中，首先监测转 子位置，转子每转过120°，功率管换流一次，定 子磁场状态改变一次，改变3次为一个周期，期间， 每个功率管导通1/3周期，形成跳跃式步进旋转磁 场，并在转子上产生脉动式转矩。此工作模式为 三相三状态。 减小转矩脉动的方法：增加磁场状态数量，例如 三相六状态。
BLDC和PMSM电机的构造及驱动方案介绍
BLDC和PMSM电机的构造及驱动方案介绍无刷直流（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）现在在许多应用中受到青睐，但运行它们的控制软件可能难以实现。
恩智浦的Kinetis电机套件弥补了与嵌入式控制软件和直观GUI的差距，最大限度地降低了软件的复杂性并加快了开发过程。
本文将简要介绍BLDC和PMSM电机的构造和关键操作参数，然后介绍如何驱动它们。
然后，它将讨论软件为何复杂，如何管理以及一些硬件选项。
然后，它将研究如何使用恩智浦的Kinetis电机套件启动和运行项目。
三相无刷直流电机（BLDC）及其近似同类电机，永磁同步电机（PMSM）已成为在过去十年中，由于其控制电子设备的成本急剧下降，新的控制算法激增，因此在过去的十年中，工业领域也越来BLDC电机具有高可靠性，高效率和高功率体积比。
它们可以高速运行（大于10,000 rpm），具有低转子惯量，允许快速加速，减速和快速反向，并具有高功率密度，将大量扭矩包装成紧凑的尺寸。
今天，它们被用于任何数量的应用，包括风扇，泵，真空吸尘器，四轴转换器和医疗设备，仅举几例。
PMSM与带有绕线定子和永磁转子的BLDC具有相似的结构，但定子结构和绕组更类似于AC感应电机，在气隙中产生正弦磁通密度。
PMSM与施加的三相交流电压同步运行，并且具有比交流感应电动机更高的功率密度，因为没有定子功率用于感应转子中的磁场。
今天的设计也更强大，同时具有更低的质量和惯性矩，使其对工业驱动，牵引应用和电器具有吸引力。
创造驱动器鉴于这些优势，它不是不知道这些电机是如此受欢迎。
然而，没有任何东西没有价格，在这种情况下，驱动和控制电路的复杂性。
消除换向电刷（及其伴随的可靠性问题）使得需要电气换向以产生定子旋转场。
这需要一个功率级（图1）。
图1：三相电机驱动的简化框图。
三个半桥在控制器的指导下切换电机相电流，其输出由前置驱动器放大和电平移位。
（使用Digi-Key方案绘制的图表- 它）。
新能源汽车驱动电机分类选型、优缺点和技术发展路线解析
新能源汽车驱动电机分类选型、优缺点和技术发展路线解析新能源汽车驱动电机主要分为三类：直流无刷电机（BLDC）、感应电机和永磁同步电机（PMSM）。
1. 直流无刷电机：直流无刷电机采用稀土磁材料，具有体积小、功率密度高、启动转矩大等优点。
它的控制简单、成本较低，适用于小型和中型的电动汽车。
但直流无刷电机存在换向损耗、转速范围局限等问题，且转矩-速度特性难以控制。
2. 感应电机：感应电机具有结构简单、可靠性高的特点。
它采用感应转子，没有永磁体，无需传感器，维护成本低。
感应电机适用于大型电动汽车，但在低转速和高转速区域有不理想的性能，且对电机控制要求较高。
3. 永磁同步电机：永磁同步电机采用永磁体作为励磁源，具有高效率、高能量密度和大启动转矩等优点。
它的控制复杂，需要较高的电机控制算法和精确的转子位置传感器。
永磁同步电机适用于中型和大型电动汽车，但永磁体的价格较高，且在高温环境下容易磁化损耗。
不同类型的驱动电机在优缺点和技术发展路线上有所不同：- 直流无刷电机的优点是体积小、功率密度高，但其换向损耗较大，转速范围相对有限。
- 感应电机的优点是结构简单、可靠性高，但在低速和高速性能不理想，电机控制要求较高。
- 永磁同步电机的优点是高效率、高能量密度和大启动转矩，但缺点是控制复杂，需要较高的电机控制算法和精确的转子位置传感器。
在技术发展路线上，目前的趋势是发展高效、轻量化的驱动电机，提高电机的功率密度，同时降低成本。
同时，新材料和新工艺的开发也是一个重要方向，以提高电机的热稳定性和可靠性。
此外，电机控制算法和系统集成技术的不断提升也是未来的发展方向，以实现更精确和高效的电机控制。
总体而言，新能源汽车驱动电机的发展主要集中在提高性能、降低成本和提高可靠性方面。
永磁直流无刷电机和永磁同步电机
永磁直流无刷电机和永磁同步电机1. 引言说到电机，很多人可能觉得这就是个硬邦邦的技术话题，其实啊，电机就像我们生活中的小助手，默默为我们的日常服务。
今天，我们就来聊聊两种电机：永磁直流无刷电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）。
它们都是以“永磁”命名，听起来是不是很高大上？实际上，这两位“电机明星”各有千秋，各有自己的粉丝群体，来，咱们一起深入了解一下它们的故事。
2. 永磁直流无刷电机（BLDC）2.1 什么是BLDC？首先，永磁直流无刷电机就像是一位现代的“高科技小伙”，它的无刷设计让它比传统的有刷电机更加出色。
大家知道，电机里有刷子，像是老古董，容易磨损，还得频繁换，真是让人烦。
可是BLDC就不同了，它彻底告别了刷子，效率高得惊人，使用寿命也大大延长。
听说，有的人用了好几年都没出毛病，简直就像是电机界的“长青树”！2.2 BLDC的应用场景说到应用，BLDC可不是个闲人，简直可以说是无处不在。
无论是电动车、空调，还是咱们常见的吸尘器，甚至是智能手机里的马达，BLDC都有一席之地。
试想一下，当你在炎热的夏天打开空调，清凉的风吹来，那可都是BLDC在默默工作呢！而且，它运行的时候安静得就像小猫咪，让你在家里享受宁静时光。
3. 永磁同步电机（PMSM）3.1 PMSM的特性再来说说永磁同步电机，PMSM也不甘示弱。
它像是一位稳重的绅士，拥有极高的扭矩密度和出色的控制性能。
这位绅士可是电机界的“技术流”，使用的是同步原理，能在各类负载下稳定工作，简直是个全能选手。
很多时候，PMSM被广泛应用在工业领域，比如数控机床、自动化设备等。
它的表现就像一位经验丰富的老手，踏实稳重，给人一种值得信赖的感觉。
3.2 PMSM的优缺点当然，PMSM也有自己的小脾气。
相比BLDC，它的制造成本稍高，毕竟技术含量在那里。
不过，物有所值，使用寿命和运行效率可都是杠杠的，能让你省不少电费呢！这就好比买了个高档手机，虽然贵，但它的性能和体验真心让人满意。
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的比较直流无刷电机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的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，它的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的不同之处反电势不同，PMSM具有正弦波反电势，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。
BLDCM采用绕组两两导通，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的控制方法、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的特性：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。
PMSM与BLDC的区别
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，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。
通常说的交流永磁同步伺服电机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方式。
两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。
最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，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。
通常说的永磁同步电动机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。
（8）BLDC与PMSM对比
（8）BLDC与PMSM对比一、BLDCM研究现状永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比, 是用电子换向取代原直流电动机的机械换向, 并将原有刷直流电动机的定转子颠倒（转子采用永磁体）从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波, 而且控制较简单, 但在低速运行时性能较差, 主要是受转矩脉动的影响。
引起转矩脉动的因素很多, 主要有以下原因：（1）电枢反应引起的转矩脉动减弱或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙, 设计磁路时使电机在空载时达到足够饱和, 以及电机选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构等。
（2）电流换相引起的转矩脉动其抑制措施是通过选择适当的电机转速来削弱换相转矩脉动的影响, 或采用重叠换相法来抑制相电流换相引起的转矩脉动。
（3）齿槽效应引起的转矩脉动，减弱齿槽效应最普通的方法是合理地选择极槽配合, 要么采用斜槽, 或转子采用斜极, 另外还可适当增大气隙, 采用分数槽也有助于减少齿槽转矩脉动如果制造无槽电机则是一种最有效的方法。
（4）电流调节误差引起的转矩脉动克服这种原因所造成的转矩脉动可通过改进电流控制方法来提高电流控制的精度, 以减小电流脉动, 从而把由电流调节引起的转矩脉动降到最低限度。
不过, 要想找到更精确的电流控制方法, 还需在实践中进行更深入的探索和研究。
（5）机械加工因素引起的转矩脉动譬如, 制造电机所用材料的不一致性、转子的偏心、各相绕组的不对称等都易引起转矩的脉动, 可以采用选择高质量材料, 提高工艺加工水平的办法来减弱它的影响。
PMSM的研究现状虽然BLDCM比PMSM具有控制简单,成本低, 检测简单等优点, 但因为BLDCM的转矩脉动比较大, 铁心损耗也较大, 所以在低速直接驱动场合的应用中,PMSM的性能比BLDCM及其它交流伺服电动机优越得多。
不过在发展高性能PMSM中也遇到几个“ 瓶颈” 问题有待于作更深入的研究和探索。
存在的主要问题如下：（1）PMSM在使用过程中出现“退磁”现象，而且在低速时也存在齿槽转矩对其转矩波动的影响。
变频空调压缩机电机的参数辨识
变频空调压缩机电机的参数辨识
PARAMETER IDENTIFIATION OF VARIABLE-FREQUENCY AIR CONDITIONING
COMPRESSOR 张斯瑶
哈尔滨工业大学工业大学工程硕士学位论文
摘要
随着空调的广泛普及以及消费者观念的更新，对空调的要求不再仅仅局限 于制冷、制热。在面临着全球范围能源危机的形势下，备受关注的节能问题也 成为了各大空调厂商营销竞争的主要焦点。而以节能、舒适等特点著称的变频 空调正逐步占据整个空调市场。在生产及使用变频空调的过程中，压缩机电机 参数的不准确会影响控制性能，进而出现系统运行状况不佳、运行效率不高等 现象，消费者的舒适度更是明显降低。根据趋势所向，本文通过对变频空调压 缩机的参数进行判断识别，以优化控制参数，保证电机维持较好的运行效果， 这对提高空调整体的效率、节约能源、提高生活环境的舒适度具有重要意义。
parameter identification, compressors seperation
-III-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
目录
摘 要 .....................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................. II
本课题将 PFC 技术和无传感器矢量控制技术应用于所试验的变频空调压缩 机控制系统的实现。利用该控制系统，开发了具有离线辨识功能的实验系统， 并将所制定的辨识方案在此上进行试验，所得结果与前期测取结果基本相符， 误差在允许范围内，证明该系统能够较准确的对电机的电气参数进行辨识。应 用辨识后的参数对控制系统进行了初步的优化。最后结合项目实际需求，应用 辨识理论对美的公司所用 10 余种压缩机类型的区分提出了相应的方案。
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BLDC与PMSM的性能对比
无刷直流电机
原理与有刷电机相同,但无刷电机是通过电路来换向的.
直流电机具有响应快速,较大的起动转矩,从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,但直流电机的优点也正是它的缺点,因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能,则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°,这就要藉由碳刷及整流子.碳刷及整流子在电机转动时会产生火花,碳粉因此除了会造成组件损坏之外,使用场合也受到限制.交流电机没有碳刷及整流子,免维护,坚固,应用广,但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到.现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的性能.微处理机速度亦越来越快,可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中,适当控制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能.
直流无刷电机的控制结构
直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：
N=120．f / P。
在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。
也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。
不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。
换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。
控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。
直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。
但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
直流无刷电机的控制原理
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。
当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
基本上功率晶体管的开法可举例如下：
AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，
但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。
此外因为电子零件总有开关的响
应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通，以及导通时间长短。
速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。
PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。
高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。
至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。
或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。
电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。
之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。
知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。
但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。
正入所言BLDC是方波，它会带来换流时的转矩脉动，而PMSM可避免。
而且PMSM由于一般是指内嵌式转子，其磁阻力矩可是其成为更高效的电机。
所以，PMSM是高端电机的首选，而BLDC更多地是中低端的运用。
但是PMSM的设计要求要远高于BLDC，所以国内估计没人能真正地设计和大规模生产PMSM的电动汽车所需电机。
高于22KW的PMSM多了去，而BLDC一般在几个千瓦以下。