1.0電機(jī)的分類及永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)介紹

基礎(chǔ)的電磁感應(yīng)產(chǎn)生力的作用，這類似的初中物理知識(shí)不再討論;

與直流無刷及永磁同步電機(jī)知識(shí)太發(fā)散的就不再討論;

本文介紹的幾點(diǎn)內(nèi)容

電機(jī)的分類及日常生活中的電機(jī)類型

無刷直流/永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理

無刷直流與永磁同步的異同

永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)

1.電機(jī)的分類及日常生活中的電機(jī)類型

如圖中所示，電動(dòng)機(jī)的種類，可以首先按照交直流類型來區(qū)別。

直流電動(dòng)機(jī)在日常生活中遇到的非常多，用電池或5V電源作為能量的幾乎都是，電動(dòng)玩具、剃須刀、小風(fēng)扇。這類電機(jī)的分類在換向式的細(xì)分類別中。控制手段也非常簡(jiǎn)單，兩極上通電就能轉(zhuǎn)，電壓給的越大轉(zhuǎn)的越快，兩根電極線對(duì)調(diào)就能反轉(zhuǎn)。如果曾經(jīng)拆開過玩具四驅(qū)車?yán)锩娴闹绷饔兴㈦姍C(jī)就會(huì)記得，里面有個(gè)II型的兩極電刷，轉(zhuǎn)子的電流換向就是靠電刷來完成。這類電機(jī)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有磁鐵存在，磁極是固定不動(dòng)的，作為定子。其他細(xì)分支的單極式電機(jī)、換向電勵(lì)磁式電機(jī)，生活中不太常見，不作介紹了。

交流電動(dòng)機(jī)分為兩類，同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。

異步電動(dòng)機(jī)在普通日常生活中見的相對(duì)較少，都相對(duì)較為大型。單相的異步電動(dòng)機(jī)，在農(nóng)村家里的各類加工機(jī)器、普通的小型工廠里的加工機(jī)器上會(huì)見的比較多;使用的電源就是普通的市電220V就行，一零一火線就可以工作運(yùn)行。單相異步電機(jī)的更細(xì)分類型，差別就不是那么大了，這類電機(jī)上常常會(huì)有兩個(gè)非常大的電容：?jiǎn)?dòng)電容、工作電容。如果這兩個(gè)電容壞了，啟動(dòng)或工作的時(shí)候就會(huì)異常。

多相異步電動(dòng)機(jī)，在起重機(jī)械、大型加工機(jī)械上會(huì)見的非常多;多相異步電機(jī)的體積在這所有電機(jī)分類中都相對(duì)較大，功率也都不低。使用這類電機(jī)大都配有相應(yīng)的變頻器。其供電時(shí)會(huì)接入三相電。三相電在工業(yè)中常用，但日常生活不常見。

最后介紹交流電動(dòng)機(jī)的同步電動(dòng)機(jī)。這類電機(jī)的細(xì)分種類在日常生活中會(huì)多少有些影子。同步電動(dòng)機(jī)主要分為四類，無刷直流、永磁同步、步進(jìn)電機(jī)、磁滯電機(jī)、磁阻電機(jī)。無刷直流電機(jī)，一提到，都見過;日常使用的電動(dòng)自行車、電摩的后輪，就是一種直流無刷同步電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)還有一種稱呼叫輪轂電機(jī)，就是指長(zhǎng)在車輪的輪轂上的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，主要是因?yàn)槠淇刂频牟竭M(jìn)精度，使得可以用在高精度的場(chǎng)合。激光切割，3D打印中都用的蠻多的。

還有一種分支的電機(jī)類型，永磁同步電機(jī)。這種電機(jī)，當(dāng)前，有一個(gè)非?；鸬膽?yīng)用，昂貴的那款吹風(fēng)機(jī)就是永磁同步電機(jī)的。永磁同步電機(jī)結(jié)合優(yōu)良的控制方法，可使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速精確可控，噪聲非常低，給人靜音靜躁并且高效的感覺。

同步電機(jī)大多是永磁式的。其他勵(lì)磁類型的也有，但不常見了。

2.無刷直流/永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理

這里一起闡述無刷直流和永磁同步運(yùn)行原理的原因是因?yàn)檫@兩類的區(qū)別著實(shí)不大，后文會(huì)詳細(xì)對(duì)比異同的。

直流有刷電機(jī)，定子是永磁體，轉(zhuǎn)子是繞線線圈;磁性有兩極，同斥異吸。所以，在轉(zhuǎn)子線圈中通上直流電，則能讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，直到與定子力矩最小的位置;這時(shí)由于電刷換向，本來力矩最小的位置又成了力矩最大;最后，周而復(fù)始，轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。

無刷直流，那就確實(shí)沒有電刷;同時(shí)，直流有刷電機(jī)中定子為永磁體，轉(zhuǎn)子為繞線的結(jié)構(gòu)，在直流無刷中變成了定子為繞組，轉(zhuǎn)子為永磁體。如果繞組依然在轉(zhuǎn)子上面，那還得靠物理接觸給繞組通電，沒有解決掉電刷老化的問題。直流無刷電機(jī)中，繞組在定子中存在，有三根相線;工作的時(shí)候，相繼的給三根相線輸入輸出電流，變達(dá)到了換向的目的。直流無刷中，轉(zhuǎn)子定子由于電磁生力的作用與直流有刷是相同的。

無刷直流電機(jī)，具體是定子在內(nèi)部還是在外部，不一定。轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)的，一般稱為外轉(zhuǎn)子電機(jī)。輪轂電機(jī)就是很特殊的外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

直流無刷電機(jī)，為什么在大分類下卻又是交流電機(jī)?

是因?yàn)椋覀冊(cè)诮o無刷直流、永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制器供電的時(shí)候，供給的是直流電源，所以稱呼為了無刷直流;但是，直流電源經(jīng)由電機(jī)控制器，逆變之后，在與電機(jī)相連的三根相線上，電源類型變成了交流，交流變化的相電壓才能使電機(jī)三根相線上的電流不停換向，所以電機(jī)的分類是交流電動(dòng)機(jī)。

3. 無刷直流與永磁同步的異同

無刷直流電機(jī),英文BLDC，英文全稱Brushless Direct Current Motor

永磁同步電機(jī),英文PMSM, 英文全稱 Permanent Magnet Synchronous Motor

這兩種電機(jī)類型要作以區(qū)別，最根本的原因是因?yàn)闅庀洞艌?chǎng)的設(shè)計(jì)就不同。所以產(chǎn)生了以下的不同

反電勢(shì)波形不同：

BLDC ：近似梯形波(理想狀態(tài));

PMSM ：正弦波(理想狀態(tài));

三相電流波形不同：

BLDC ：近似方波或梯形波(理想狀態(tài));

PMSM ：正弦波(理想狀態(tài));

控制系統(tǒng)的區(qū)別：

BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和電流(轉(zhuǎn)矩)控制器;

PMSM：不同控制策略的會(huì)有不同的控制系統(tǒng);

控制不同：

BLDC：120度方波電流，采用PWM控制;

PMSM：正玄波電流，采用SPWM SVPWM控制。

但是，在實(shí)際的控制中，直流無刷也會(huì)用FOC控制，永磁同步電機(jī)也能用方波進(jìn)行控制。

就像電動(dòng)車的控制器，我拆來研究過三四個(gè)，接口都是一樣的，控制芯片不一樣，當(dāng)然控制算法也不一樣。用正弦波控制的電動(dòng)車，啟動(dòng)、運(yùn)行聲音都很低，運(yùn)行過程中沒有抖動(dòng);但是方波控制的電動(dòng)車，聲音會(huì)非常明顯，運(yùn)行時(shí)的抖動(dòng)也能感知得到。抖動(dòng)是因?yàn)槊鞔_的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

方波控制的電機(jī)，電源使用效率較高，因?yàn)檎也刂频碾姍C(jī)，在有效電壓上就會(huì)被打折一點(diǎn)。

4. 永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)

永磁同步電機(jī)，直流無刷電機(jī)可以用同樣的控制手段來使之運(yùn)行。

根據(jù)有無位置傳感器來區(qū)別，首先分為有感無感。也就是有無使用霍爾等類似的位置傳感器來感知定子轉(zhuǎn)子的位置角度。在風(fēng)泵類的應(yīng)用中，很多使用無感方式控制，通孔優(yōu)良的算法是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來后，檢測(cè)感知相電流的變化來切換相電流。一些重載或精確控制的應(yīng)用中，都會(huì)使用有感方式。

根據(jù)逆變的三相電源，可以分為方波控制和正弦波控制。方波控制策略簡(jiǎn)單，控制過程直接有效，采用六步換向策略，CPU調(diào)制 出PWM來驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管就可是生成能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的三相電源。正弦波的控制策略相對(duì)復(fù)雜得多，但是在控制效果上又優(yōu)良的多。

正弦波控制時(shí)，主要有兩種控制策略。

一種是，直接轉(zhuǎn)矩控制DTC百度百科。其作法是依量測(cè)到的馬達(dá)電壓及電流，去計(jì)算馬達(dá)磁通和轉(zhuǎn)矩的估測(cè)值，而在控制轉(zhuǎn)矩后，也可以控制馬達(dá)的速度，直接轉(zhuǎn)矩控制是歐洲ABB公司的專利。

第二種是，空間矢量控制FOC百度百科。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制;通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。

正弦波控制時(shí)，會(huì)有很多衍生的更精細(xì)的控制策略，比如前饋控制、最大轉(zhuǎn)矩控制、弱磁控制等。

在對(duì)電機(jī)的控制過程中，會(huì)有多個(gè)反饋控制環(huán)。在控制電機(jī)的出力情況時(shí)，有電流環(huán);再此基礎(chǔ)上，控制轉(zhuǎn)速的控制環(huán);伺服電機(jī)應(yīng)用時(shí)，便有位置環(huán)的控制。