引用

1. BLDC | PMSM | Comparison of brushless DC motors and permanent magnet synchronous motors (youtube.com)

1. 电机结构、分类和应用

1.1 结构组成

• 电机本体（电枢绕组定子和永磁体转子）

• 位置检测电路（电磁式、光电式、磁敏式）

• 电子换相电路

1.2 分类和特性

• 交流异步电机（单相或三相）。

• 同步电机 ：直流（DC）电机，无刷电机。

• 步进式电机

永磁同步电机和BLDC差别

1. 结构对比

相同点：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测电机相绕组的反电动势等方法得到。

不同点：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。

1. 驱动方式 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。
• 无刷直流电机：120度方波电流，采用PWM控制；磁钢为方波充磁，控制电压PWM也为方波，电流也为方波。一个 电周期有6个空间矢量。控制简单，成本低，一般的MCU就可实现。
• 永磁同步电机：正玄波电流，采用SPWM、SVPWM控制。磁钢为正弦波充磁，反电动势也为正弦波，电流也为正弦波。一 般采用矢量控制技术，一个电周期一般最少会有18个矢量（当然越多越好），需要高性能的MCU或DSP才能实现。
BLDC一般使用6节拍的方波驱动，控制方波的相位和倒通时间，PMSM采用FOC。性能上来说BLDC的输出功率密度会大点，因为BLDC的转矩充分利用了谐波，也因此BLDC的谐波会严重点。

2. 其他差异

• 市场定位区别：PMSM定位高精度控制领域，BLDC定位低精度民用领域。

• 适用转速范围不同：PMSM主要定位在低速，5000rpm以下，BLDC主要定位在1000-40000rpm。

• 控制精度不同：PMSM位置控制精度可以以位置传感器最高分辨率控制，印象里是14位，

• BLDC如果不是用FOC控制，位置精度控制只能达到分辨率 360/极数 度，即使使用FOC,也会由于气隙波形非正弦性出现误差。

 

1.3 应用领域

2. 选型指南

2.1 选择电动机的标准是什么？

1. 需要确定应用的类型， 因为这是指导在这三个系列中选择发动机的关键。
• 如果你想让你的电机连续运行，而且速度变化不大，就选择异步电机；
• 对于动态应用，同步电机是正确的选择；
• 最后，为了精确定位，选择步进电机。

2. 根据所需的运动，你还需要确定电机的技术规格和尺寸。
• 对于技术规格，还需确定发动机的功率、扭矩和速度；
• 对于选型，应注意占地面积（电机的尺寸）和安装类型（电机在系统中的固定方式）。

3. 电机的尺寸和强度特性的选择也取决于电机所处的工业环境
• 需要适应特殊环境（爆炸性、潮湿、腐蚀性环境、高温）；
• 对于严苛的环境， 选择强化的、密封的、抗冲击的或抗污的外壳的电机。

4. 近年来，在选择电机时，能源效率已经成为一个重要的标准。
• 一个使用较少能量的电动机将具有较低的能源影响， 从而降低能源成本。

2.2 如何在交流和直流电动机之间进行选择？

• 最根本的区别是电源 ： 交流电（单相或三相）和直流电（DC/DC），例如用于电池。

• 速度是差异化的另一个标志。 直流电机的速度是通过改变电机中的电压来控制的，而交流电机的速度是通过改变频率来控制的，最常见的是使用变频驱动器。

2.2.1 交流电机

• 交流电机的结构很简单

• 由于启动时消耗较少，更经济

• 也更坚固，因此通常有更长的寿命

• 几乎不需要维护

• 单相电机的区别是：
• 电功率（单位：千瓦），决定扭矩
• 极数，给出旋转的速度
• 安装方法：法兰（B14，B5）或脚踏（B3）
• 工业性质较弱，因为力量较弱
• 有可能在国内电力网中使用。

• 三相电机的区别是：
• 电功率比单相电机高得多；
• 在工业环境中的使用（约80%）；

2.2.2 直流电动机

• 非常精确高速

• 电机的速度可以通过改变电源电压来控制

• 易于安装，包括在移动系统中（电池操作）

• 启动扭矩很高

• 启动、停止、加速或倒车都是快速进行的

• 不太适合于高功率应用；

• 有许多零件会磨损，更换起来很昂贵。

2.2.3 小结

• 有刷直流电动机越来越多地用于工业应用中。 对于低功率，则使用交流电机代替，因为在同等用途下需要很少的维护。

• 由于直流电动机部件的更换成本太高，一些制造商选择了交流电动机，在其中集成了一个电气控制器。 对于大多数需要速度变化的应用来说，交流电机和变频器的组合已经成为一种具有成本效益的解决方案。

2.3 为什么选择无刷或有刷电机？

2.3.1 有刷电机

• 很容易控制

• 价格低廉

• 串联励磁电动机 ： 在这种类型的电机中，定子与转子串联，通过改变电源电压来控制速度。然而，这种速度控制相当差：一旦发动机的扭矩增加，速度就会下降。这种类型的电机在需要高启动扭矩的应用中很有用，如汽车或起重机。

• 并联励磁电机 ： 在这种类型的电机中，定子与转子并联，随着电机电流的增加，可以获得更高的扭矩而不降低速度。这种类型的电机适用于具有恒定速度的应用，如吸尘器或输送机。

• 复合励磁电机 : 这种类型的电机结合了串联励磁和并联励磁电机的结构。因此，它提供了一个高启动扭矩和更高的速度变化。是旋转压力机、升降机、行李传送带、离心泵或压缩机的完美选择。

• 永磁电机 : 这种类型的电机包含一个永久磁铁，可以实现低扭矩。电机与需要精确控制的应用有关，如机器人或伺服系统。

• 电机的效率比无刷电机低（75-80%，而无刷电机为85-90%）。

• 使用寿命很短，因为电刷由于经常摩擦，随着时间的推移磨损得更快（根据应用频率、功率、速度、振动等因素，服务时间在1000到10000小时之间）。

• 电刷和换向器的电弧会产生电磁噪音，可能导致火灾。

• 同样，由于摩擦产生火花的风险使其在爆炸性环境中的使用不可取。

• 由于刷子的加热，速度通常受到限制。

• 由石墨制成的刷子产生的灰尘可能会损坏其他设备，特别是光学设备。

• 电机需要被润滑，这使得它们无法在吸尘器中使用。

• 可以在更高的速度下运行（高达100,000rpm，而有刷电机为20,000rpm）；

• 有更长的使用寿命（超过10,000小时的运行）；

• 更加可靠和高效；

• 除了轴承之外没有其他易损件，这就减少了维护。

• 最初的成本很高，因为需要集成一个专门的开关设备（控制器）。

• 在驱动应用中通常还需要一个齿轮箱。

2.4 为什么选择步进电机？

• 可变磁阻电机 可变磁阻电机：在相同的电气特性下，这种电机的功率较小，但比永磁电机快。

• 永磁电机 ：它是一种低成本的电机，具有很高的分辨率。 平均（高达100步/圈）

• 混合动力发动机 ：该发动机结合了之前的两种技术，但价格更加昂贵。 其优点是扭矩更好，速度更高。 分辨率为100到400步/转。

• 非常精确

• 价格低廉

• 结实耐用

• 电机的结构很简单

• 启动时和低速时的扭矩都很高

• 速度和扭矩都比较低

• 转矩随速度增加而急剧下降

• 产生的振动会造成共振问题

• 存在着过热的风险

• 扭矩和负载

• 步进的数量

• 电机的尺寸（重量、电机安装法兰盘等）

• 成本

2.4.1 如何选择步进电机?

1. 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出力矩大于负载所需的力矩。选型中，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性需能满足机械负载并有一定的余量方可保证其 运行可靠。选型时要留有一定的（如50%）转矩余量。电机工作负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。加速起动阶段主要考虑惯性负载，恒速运行阶段只要考虑 摩擦负载，而直接起动时二种负载均要考虑。

2. 步进电机的动态力矩一下子很难确定，往往先确定电机的静力矩。 静力矩大的电机，输出力矩也大。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的2~3倍内。静力矩一旦选定，电机 的机座号及长度便能初步确定下来。

3. 可以考虑用力矩和机座号小一些的电机增加减速装置的方案实现大扭矩的输出。需要综合考虑力矩和速度的关系选择合适的减速比，以得出最佳的方案。

4. 估算机械负载惯量，使之与步进电机的转动惯量相匹配。如果对动态响应要求比较高，建议负载转动惯量小于电机转动惯量。通常情况下，负载转动惯量为电机转动惯量的1倍多即可。

5. 一般可通过增加减速器的方式来降低负载（折算到电机轴上）的转动惯量，转动惯量计算公式如下： J=J减速器＋J负载／i（其中 J为总的转动惯量，J减速器为减速器的转动惯量，J负载为负载的转动惯量，i为减速比）

6. 确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高力矩下降，选型时非常重要的一个工作就是参考电机的矩频特性曲线。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。

7. 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到设备所需的脉冲当量。电机步距角理想状态下是将当量等分。实现等分就需要正确选择电机的类型再加以细分驱动器（需要指出的是细分只能改变其 分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定）。

8. 在转速要求较高的情况下可以选择驱动电压较高的驱动器。一般的规律是：驱动电压越高、电机的相电流越大，力矩下降的越慢。

3. 一些电机产品

3.1 直流有刷

3.2 直流无刷

3.3 步进电机

3.4 安装和其他

序号1.1 永磁直流行星齿轮电机 22ZY38-12120 安装尺寸和效果

序号2.1 57直流无刷电机 BL57H95D20E 安装尺寸和效果

实验9-1 BLDC基础驱动 实验9-2 BLDC基础驱动2路 实验9-3 BLDC电压温度采集 实验9-4 BLDC的速度环PID控制实验 实验9-5 BLDC双环PID控制-速度环+电流环 实验9-6 BLDC方波无感6步换向 实验9-7 BLDC方波无感过零检测控制 实验9-8 BLDC方波无感PID速度环控制 实验9-9 BLDC方波无感PID速度环+电流环控制

序号2.3 新永泰JGA25-2418 安装尺寸和效果

序号2.4 Ni Motion BLM57一体化直流无刷电机安装尺寸和效果

序号3.1 42步进电机 S42H40D20 两相四线混合式

 

实验8-1步进电机基础驱动(PWM模式) 实验8-2步进电机基础驱动（翻转模式） 实验8-3步进电机变速控制(PWM模式) 实验8-4步进电机变速控制（翻转模式） 实验8-5步进电机定位控制(PWM模式) 实验8-6步进电机定位控制（翻转模式） 实验8-7步进电机梯形加减速运动 实验8-8步进电机S型加减速运动 实验8-9步进电机任意象限直线插补运动 实验8-10步进电机任意象限圆弧插补运动 实验8-11步进电机任意象限直线圆弧插补运动

4. 电机调速器

• 电压范围9~24V，额定电流7.5A，最大电流16A(倍流)/10A(非倍流)；

• 电位器、0~3.3V/10V模拟信号与逻辑电平、开关量、-3.3V~+3.3V差分模拟信号、PWM、频率信号、RS485、CAN多种输入信号；

• PWM调速(调压)、限力矩控制(稳流)、自测速/外接测速发电机/外接脉冲反馈闭环调速(稳速)多种调速方式；

• 电机电流PID调节，最大负载/制动电流可配置，电机启动/制动/换向时间短、冲击力小；

• 正反转双向调速，可预设正/反转速度并存储，通过开关/按钮控制启停和方向；

• 可外接两个限位开关分对正反转限位；

• 电机过载和堵转限流，防止过流损坏电机，支持堵转限位停转，以及瞬间大电流监测，防止过流损坏电机或驱动器；

• 支持驱动器内部温度监测，可配置过热保护温度；

• 支持驱动器电源电压内部监测，可配置过压/欠压关断监测值；

• 支持倍流输出，启动、大负载时可大力矩输出；

• 485 共模电压保护，支持RS485多站点通讯，支持MODBUS-RTU协议，方便多种控制器(如单片机、PC机或PLC)控制，支持通讯中断停转保护，支持CAN通讯；

• 20kHz的PWM频率，电机调速无PWM嚣叫声；

• 极小的PWM死区，仅0.5us，PWM有效范围0.1%~99.0%；

• 全部接口 ESD 防护，可适应复杂的现场环境。