BLDC和PMSM电机的构造及驱动方案介绍
一文了解BLDC与PMSM的区别
一文了解BLDC与PMSM的区别现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类：1）方波驱动电机，也即无刷直流电机（BLDC）；2)正弦波驱动电机：也即永磁同步电机（PMSM）。
表面来看，BLDC和PMSM的基本结构是相同的：1）它们的电动机都是永磁电动机，转子由永磁体组成基本结构，定子安放有多相交流绕组；2）都是由永久磁铁转子和定子的交流电流相互作用产生电机的转矩；3）在绕组中的定子电流必须与转子位置反馈同步；4）转子位置反馈信号可以来自转子位置传感器，或者像在一些无传感器控制方式那样通过检侧电机相绕组的反电动势等方法得到。
虽然在永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本架构相同，但它们因驱动方式不同，是的其在设计和控制细节上存在明显的区别。
1）反电势不同，PMSM具有正弦波反电势，而BLDC具有梯形波反电势；2）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BLDC采用整距集中绕组。
3）运行电流不同，为产生恒定电磁转矩，PMSM为正弦波定子电流；BLDC为矩形波电流。
4）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；BLDC永磁体形状呈瓦片形，在气隙中产生的磁密呈梯形波分布。
5）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。
因设计上和控制上存在区别，导致PMSM和BLDC特性也不同，性能对比如下：1转矩波动转矩脉动是机电伺服系统的最大问题, 它直接影响精确的位置控制和高性能的速度控制很困难。
在高速情况下，转子惯量可以过滤掉转矩波动。
但在低速和直接驱动应用场合，转矩波动将严重影响系统性能，将使系统的精度和重复性恶化。
永磁同步伺服电机(PMSM)的基本结构 和控制单元驱动器原理
永磁同步伺服电机（PMSM）的基本结构和控制单元驱动器原理导语：永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。
全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。
随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。
永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
永磁交流伺服系统具有以下等优点：电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；定子绕组散热快；惯量小，易提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。
永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。
全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。
现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。
伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。
控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。
交流永磁伺服系统的基本结构交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。
其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。
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。
低成本BLDC和PMSM电机控制
F=IxB T=(IxB)*D 当B和D恒定时，T = K * I A
当磁场为绕线式时，B = K * I F 在绕线式直流电机中，转矩和磁通B可以独立控制
幻灯片 8
电机转矩
F D B N B S I F B F
幻灯片 9
T=F x D
无刷直流电机控制算法
幻灯片 10
什么是换相？
简单的转矩脉动解决方案
幻灯片 66
PID控制
幻灯片 67
PID不代表Police Investigation Department（警方调查部）
幻灯片 68
闭环速度
速度会随以下因素变化 母线电压 电机负载 我们可以如何建立速度闭环，来应对这 些变化？
幻灯片 69
PID
P = Proportional（比例） 比例误差 = 所需值与实际值之差 I = Integral（积分） 所有误差之和 D = Differential（微分） 最后两个误差之差
幻灯片 16
无传感器BLDC
无传感器可以消除霍尔效应传感器和线缆成本 对于高速电机或BEMF信号失真的电机，对BEMF进行FIR滤波或使用 “择多检测”的方法会有所帮助 ADC（或比较器）支持对电机的相BEMF电压进行采样
根据此电压，CPU可以确定转子位置并驱动电机控制PWM模块
G 相
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偏移和平衡的影响
相位偏移与升高或降低过零参考点具有 相同的影响 偏移实际上可以起到增磁或者弱磁的作 用 平衡会改变过零周期和换相周期之间的 时间（是特殊情况下的特殊方法） 无论平衡和偏移调节如何，过零周期和 换相周期之和是恒定的
BLDC无刷直流电机的原理及驱动基础
BLDC无刷直流电机的原理及驱动基础无刷直流电机（BLDC，也称为马达驱动）是电机和控制技术相结合的产品，电调控制电机的运行，从电流驱动角度来看，无刷直流电机可分为正弦波驱动和方波驱动。
通常，以方波驱动的电机称为无刷直流电机（BLDC），正弦波驱动的电机则为永磁同步电机（PMSM）。
无刷直流电机，跟永磁同步电机，基本结构相似，主要区别在于控制器电流的驱动方式不同。
产生相位差120度的正弦三相电，要不断的调整三路、或是六路PWM的占空比，这要求较高的处理速度。
给电机供相位差120度的方波，电机运转噪音虽大一些，但电机仍可以基本平稳的运转，方波驱动方式对处理器的速度要求低了很多。
所以方波驱动方式就广泛应用开来。
一、方波控制理论基础方波控制也叫六步控制，在一个电周期中，电机只有六种转态，或者说定子电流有六种状态（三相桥臂有六种开关状态）。
每一种电流状态都可看作合成一个方向的矢量力矩，六个矢量有规律地、一步接一步地转换，矢量旋转方向决定了电机旋转方向（顺时针或是逆时针），电机转子会跟着同步旋转。
在方波控制里，主要是对两个量进行控制，一个是电机转子位置对应的开管状态，有Hall时，通过Hall信息获取转子位置，无传感器时，通过反电动势信息获取转子位置，从而决定开管状态；第二个是PWM占空比的控制，通过控制占空比的大小来控制电流大小，从而控制转矩和转速。
二、方波算法实现步骤（1）Hall 方波控制：1.读取母线电流采样的AD 值，计算母线电流2.电流环计算应该给的PWM 占空比，控制电流为给定电流大小3. 读取hall 状态，根据Hall 状态与三相桥臂开管状态关系数组，得到相应的开管状态，每次hall 状态的跳变沿及为三相桥臂状态切换的时间点（也称为换相点）。
4. Hall 相邻状态间的扇区为一个电周期的六分之一，即为60°，用定时器可记录60°扇区所用的时间，从而计算电流频率，从而得到电机转速。
无刷直流(BLDC)电机的构造原理及电源控制方案
半导体器件应用网/news/190158_p2.html 无刷直流（BLDC）电机的构造原理及电源控制方案【大比特导读】无刷直流(Brushless Direct Current，BLDC)电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。
引言无刷直流 (Brushless Direct Current， BLDC)电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。
正如名称指出的那样， BLDC 电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。
BLDC 电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。
其中包括：•更好的转速-转矩特性•快速动态响应•高效率•使用寿命长•运转无噪音•较高的转速范围此外，由于输出转矩与电机体积之比更高，使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中，大有用武之地。
在本应用笔记中，我们将详细讨论 BLDC 电机的构造、工作原理、特性和典型应用。
描述 BLDC 电机时常用术语的词汇表，请参见附录 B：“词汇表”。
构造和工作原理BLDC 电机是同步电机中的一种。
也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。
BLDC 电机不会遇到感应电机中常见的“差频”问题。
BLDC 电机可配置为单相、两相和三相。
定子绕组的数量与其类型对应。
三相电机最受欢迎，使用最普遍。
本应用笔记主要讨论三相电机。
"BLDC 电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中 (如图 3 所示)。
定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。
多数 BLDC 电机都有三个星型连接的定子绕组。
这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。
在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。
沿定子圆周分布这些绕组，以构成均均匀分布的磁极。
有两种类型的定子绕组：梯形和正弦电机。
永磁同步电机工作原理及控制策略
PMSM电机的FOC控制策略
cos 1控制
控制交、直轴电流分量，保持PMSM的功率因数为1， 在 cos 1条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈 现先增加后减小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出 的最大转矩较小。
最大转矩/电流比控制
也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控 制）。 它是凸极PMSM用的较多的一种电流控制策略。当输出 转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的 铜耗。
2 3
Tc
Tb
Tc
Tb b)
Ta Tc
Tac Tbc Tba Tca c)
Tab
c)两两通电时合成转矩
Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图
PMSM和BLDC电机的工作原理
（2）三三通电方式
每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相一次， 每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为
VFVFVF3、VFVFVF4、VFVFVF5、VFVFVF6、VFVFVF1、VFVFVF2、VFVFVF3... 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 1 2
PMSM电机的FOC控制策略
2、FOC特点
以转子磁场定向 系统动态性能好，控制精度高 控制简单、具有直流电机的调速性能
运行平稳、转矩脉动很小
PMSM电机的FOC控制策略
3、FOC控制方式
id 0 控制
定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与 永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电 流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好， 可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、 机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器 容量不能充分利用。
BLDC与PMSM的比较
逆变器—永磁无刷电机系统示意图
7
无刷直流电机的数学模型
电压方程：
⎡u AN ⎤ ⎡ R 0 0 ⎤ ⎡i A ⎤ ⎢u ⎥ = ⎢ 0 R 0 ⎥ ⎢i ⎥ + ⎢ BN ⎥ ⎢ ⎥⎢ B ⎥ ⎢ ⎣u CN ⎥ ⎦ ⎢ ⎣ 0 0 R⎥ ⎦⎢ ⎣iC ⎥ ⎦ ⎡L − M p⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎣ 0 0 L−M 0 0 ⎤ ⎡i A ⎤ ⎡e A ⎤ ⎡u ON ⎤ ⎢i ⎥ + ⎢e ⎥ + ⎢u ⎥ 0 ⎥ ⎥ ⎢ B ⎥ ⎢ B ⎥ ⎢ ON ⎥ L−M⎥ ⎦⎢ ⎣iC ⎥ ⎦ ⎢ ⎣ eC ⎥ ⎦ ⎢ ⎣u ON ⎥ ⎦
α 为旋转因子，α = cos120D + j sin 120D
16
矢量控制基础——坐标变换
Bs
三相/2相变换：根据变换前后功率不
β
i Sβ
变的约束条件，以定子电流为例：
IS
→
i Sα
α
As
⎡ ⎢ ⎡iα ⎤ ⎢ ⎢i ⎥ = 2 ⎢ ⎢ β⎥ 3⎢ ⎥ ⎢ i ⎢ ⎣ 0⎦ ⎢ ⎣
⎡ ⎢ ⎢ =⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣
12
无刷直流电机的基本控制系统
电流闭环控制结构
I ref
+
−
位置
PID 调节器
Ia
无刷直流 电动机
I phase
MAX
数字低通 滤波
转矩闭环控制结构
ωr
M ref
ABS ( I a , I b )
Ib
位置
1 k2
I ref
+
PID
−
无刷直流 电动机
Ia
调节器
I phase
MAX
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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）。