永磁无刷电机大致可以分为永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)和无刷直流电机(Brushless DC motor,BLDC)两种。要注意对这两种电机的控制算法进行区分。
PMSM 和 BLDC 在结构上没有本质区别,均为定子绕组产生旋转磁场带动永磁体的电机。
一般而言,使用方波控制的永磁无刷电机被称为 BLDC,例如六步换相算法;使用正弦波控制的就是 PMSM,例如矢量控制算法(即 FOC 算法)。
BLDC 一般使用 Hall 传感器确定位置,通过六步换相控制算法进行控制;BLDC 的无感算法一般采用反电动势过零检测算法。
BLDC 的特点是可以输出较大力矩和较高的转速,适合无人机桨叶(例如大疆无人机采用的就是 BLDC,如图 Fig.13.1 所示)、吸尘器、吹风第机等应用。BLDC 的缺点是有扭矩波动,不适合高精度伺服控制,因而经常作为动力装置。
PMSM 一般使用编码器来确定精确位置,通过 FOC 算法进行控制;PMSM 的无感算法一般有磁链观测算法、反电动势观测算法、高频注入算法等。PMSM 电机的特点是价格相对昂贵,控制算法相对复杂。PMSM 由于其优良的控制性能,常常用作伺服电机。
两者区别
但为了让驱动算法更加和电机结构更加契合,正弦波的驱动的电机(即 PMSM)一般会设计为“每极每相槽数小于 1”,使每相的磁动势趋于正弦分布;方波驱动的电机(即BLDC)一般“每极每相槽数为 1 或 2”,使每相的磁动势趋于方波分布。
以三相电机为例:每极每相槽数 = 总槽数/3/总磁极数。每极每相槽数 与电机性能设计息息相关,有一定的设计规范。
换句话说,槽数相同的情况下,磁极越多,正弦控制所产生的齿槽转矩越小,适合将其作为 PMSM 使用;反之磁极越少,方波控制能发挥其大扭矩输出的特性,适合将其作为BLDC 使用。
磁动势的方波分布或正弦分布和前面提到的方波控制或正弦控制不是一回事,磁动势的分布于电机的槽数、磁极数、永磁体布置方式有关,是电机固有特性;而方波控制或正弦控制是控制方式。
针对正弦控制算法而设计的 PMSM 电机是兼容 BLDC 控制算法的,PMSM 电机可以很好的运行六步换相算法。反过来,针对方波控制算法而设计的 BLDC 电机,有时候并不能很好的兼容 PMSM 控制算法。BLDC 电机并不是不能运行 PMSM 控制算法,而是运行起来效果较差,而且效率不高。