无刷电机矢量控制器

一、结构及其物理特性的差异

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机分为方波驱动电机和正弦波驱动电机。前者被称为无刷直流电动机活或是电子换相直流电动机(ElectronicallyCommutated Motor,ECM)，后者曾有人称为无刷交流电动机BLAC，现在对于这两种电机有了比较明显且较为广泛认同的称谓：方波驱动的称为无刷直流电机，正弦波驱动的称为永磁同步电机。

表面上看，BLDC和PMSM的基本结构是相同的，并且确实有以下几个相同点：

1、他们本质上都是永磁电动机，转子由永磁体组成基本结构，定子安放有多相交流绕组;

2、都是由永磁体转子和绕组定子的交流电流相互作用产生电机的转矩，本质利用的物理原理都是通电导体在磁场中受力;

3、在绕组中的驱动电流必须与转子位置反馈同步。

这两种电机的不同点在于：

1、无刷直流电动机BLDC是方波电流驱动，而永磁同步电机PMSM是正弦波电流驱动。其不同之处主要由这一点造成。

2、永磁同步电机PMSM在电气和机械方面更加安静，转矩基本没有脉动，而BLDC是方波驱动，存在转矩脉动。其原因在于：由于电感存在， 电流不会突变，因此在换相过程中断开相电流，电流下降的过程和新接入的新相电流上升过程都需要时间，因此相电流不可能是理想的方波，从而会产生非换相相电流脉动，从而引起换相转矩脉动。

3、因为驱动电流不同，气息磁场波形、反电动势波形、转矩波形均不相同。如下图所示为理想情况下：磁通密度分布、相反电动势、相电流和电磁转矩波形。此处电流为理想方波，实际是不存在的。

4、电流环路结构不同，速度反馈信息的获取也不相同。

5、电动机气息磁通密度分布设计和绕组设计不同，一个是针对正弦波驱动，一个是针对方波驱动，永磁同步电机追求正弦磁通，其绕组分布更多更分散，而无刷直流电机相对简单，所以无刷直流电机造价相对便宜一些。

通过以上的分析，我们可以发现一个BLDC的一个最大的缺点就是转矩的脉动，其原因是方波驱动的固有缺点，那在很多篇文章和实际应用案例中，BLDC的转矩脉动都是一个着重解决的问题，因此本篇文章不做具体阐述，这个重要的问题，在后面重点以单篇的形式进行分析。其实分析到这里就有人要问了，为什么永磁同步电机这么香，还要用BLDC呢?无他，省钱省事(手动狗头)，电机便宜，方波的发波方式相对于SVPWM要简单，CPU要求不高。我们自己学习的时候用的芯片，带BLDC都是妥妥的。

二、数学模型的区别

永磁同步电机的数学模型一般以dq轴坐标系的模型为主要分析对象，这是因为永磁同步电机的电感是线性的，其反电动势波形也是正弦的，在一个基波周期内的波形越接近于正弦，其谐波含量越小，精度越高，PMSM在dq坐标系的数学模型为：

电压方程：

定子磁链方程：

电磁转矩方程：

运动平衡方程：

无刷直流电动机的数学模型，由于BLDC采用整距集中绕组，感应电动势为梯形波，包含许多高次谐波，并且BLDC的电感为非线性电感，因此BLDC并不适合在dq轴坐标系，坐标变换理论也并不适合，主要还是谐波太多了，dq分析不是很有效的方法，因此在分析和仿真BLDC控制系统时，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势及其他物理量。

电压方程：式中R为相定子电阻，i为相电流，P为微分算子，Lx为相定子电感，Lxy为相间互感，e为相反电动势。

电磁转矩方程：式中w为角速度，单位为rad/s。可以看到，BLDC的电磁转矩和普通直流电机类似，其输出转矩大小与磁通大小和电流幅值成正比，因此控制逆变器输出的电流幅值即可控制输出转矩。

运动平衡方程：式中B为摩擦系数，w为角速度，TL为负载转速，dw/dt为加速度，J为转动惯量。

其等效电路如下图所示：可以看到BLDC是基于每相电路去分析的，都是一个电阻负载和一个电感负载，三相以星接的方式接在一起。因此也有重点电压方程为：

三、驱动方式(调制模式之间的区别)

我想第三点大家最关心的就是BLDC和PMSM在发波方式上的区别了，其实控制器大都是PI调节器，我有了这个控制指令之后，如何驱动逆变器呢?BLDC和PMSM也是存在比较大的区别的，害，调制是最难的，处理恐惧的方式最好的就是面对它。干就完事儿了。两者的功率回路是一样的，这也意味着驱动BLDC的主回路也可以驱动PMSM。

首先PMSM的驱动发波方式，主要以FOC/SVPWM为主，SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态,从而形成PWM波形。这个有很多地方都有详细的解释，推荐一个大佬是解释，大佬就是大佬，详细具体，感谢他们的工作。

J Pan：如何深入理解SVPWM?900 赞同 · 159 评论文章

而BLDC就和这个有着明显的差距，主要存在以下6中PWM发波方式，

第一种：on_pwm，120周期内的前60周期恒通，后60°斩波PWM调制。ABC三相同理。

第二种：pwm_on，120周期内的后60周期恒通，前60°斩波PWM调制。

第三种：H_pwm_L_pwn，是全120全调制。

第四种：H_pwm_L_on，上管调制，下管恒通。

第五种，H_on_L_pwm，上管调制，下管恒通。

第六种：H_L_pwm，上下管交替调制。

在这六种调制方法中，( c)和(f〉称为“双斩”方式，即两个开关管都进行斩波;其余四种都叫“单斩”方式，即一个开关管恒通，另外一个进行斩波。单斩方式中，只斩上臂( d)或只斩下臂(e)这两种方式实现较容易，但是会造成上下管的发热不均匀。而(a)(b)这两种单斩方式的开关损耗与(d)(e)相同，但是在两管中平均分配。双斩方式( c)中，开关损耗是单斩方式的两倍，降低了控制器的效率，并且发热增加了--倍。因此这种调制方式用的很少。(f)中利用两个管子轮流进行调制，上下两管的开关损耗相同，并且等效的开关频率增加了一倍，特别是在一些器件的开关频率较低的情况下，可以采用这种方法来提高等效开关频率，是一种较理想的调制方法。

小结：

无刷直流电动机和永磁同步电机追根朔源其实是一种电机，结构上相同，只是由于驱动电流方式的不同，所以也有了各种不同的特性。在降低成本的前提下，也相应的降低了性能，需要通过特定的控制策略对其进行优化。