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。

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。

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。

三相BLDC和PMSM设计的低压马达控制方案三相BLDC/PMSM低压马达控制方案采用MC9S08AC16系列器件.这种8位MCU采用增强的HCS08内核,具有低成本和高性能,系列有各种模块,存储器容量,存储器类型和封装形式.MC9S08AC16和MC9S08AC8用于消费类电子和工业,MC9S08AW16A和MC9S08AW8A用于汽车电子.本文介绍了MC9S08AC16系列主要特性,方框图,以及三相BLDC和PMSM低压马达控制方案主要特性,详细电路图以及材料清单(BOM).3-Phase BLDC/PMSM Low- Voltage Motor Control DriveThe MC9S08AC16 Series devices are members of the low-cost, high-performance HCS08 Family of 8-bit microcontroller units (MCUs). All MCUs in the family use the enhanced HCS08 core and are available with a variety of modules, memory sizes, memory types, and package types.MC9S08AC16 Series Devices• Consumer & Industrial— MC9S08AC16MC9S08AC8• Automotive— MC9S08AW16A— MC9S08AW8A8-Bit HCS08 Central Processor Unit (CPU)• 40-MHz HCS08 CPU (central processor unit)• 20-MHz internal bus frequency• HC08 instruction set with added BGND instruction• Background debugging system• Breakpoint capability to allow single breakpoint setting during in-circuit debugging (plus two more breakpoints in on-chip debug module)• Debug module containing two comparators and nine trigger modes.Eight deep FIFO for storing change-of-flow addresses and event-only data. Debug module supports both tag and force breakpoints.• Support for up to 32 interrupt/reset sourcesMemory Options• Up to 16 KB of on-chip in-circuit programmable FLASH memory with block protection and security options• Up to 1 KB of on-chip RAMClock Source Options• Clock source options include crystal, resonator, external clock, or internally generated clock with precision NVM trimmingSystem Protection• Optional computer operating properly (COP) reset with option to run from independent internal clock source or bus clock• Low-voltage detection with reset or interrupt• Illegal opcode detect ion with reset• Illegal address detection with resetPower-Saving Modes• Wait plus two stopsPeripherals• ADC — 8-channel, 10-bit analog-to-digital converter with automatic compare function• SCI — Two serial communications interface modules with optional13-bit break• SPI — Serial peripheral interface module• IIC — Inter-integrated circuit bus module to operate at up to 100 kbps with maximum bus loading; capable of higher baud rates withreduced loading• Timers — Three 16-bit timer/pulse-width modulator (TPM) modules —Two 2-channel and one 4-channel; each has selectable input capture, output compare, and edge-aligned PWM capability on each channel. Each timer module may be configured for buffered,centered PWM (CPWM) onall channels• KBI — 7-pin keyboard interrupt moduleInput/Output• Up to 38 general-purpose input/output (I/O) pins• Software selectable pullups on ports when used as inputs• Software selectable slew rate control on ports when used as outputs• Software selectable dri ve strength on ports when used as outputs• Master reset pin and power-on reset (POR)• Internal pullup on RESET, IRQ, and BKGD/MS pins to reduce customer system costPackage Options• 48-pin quad flat no-lead package (QFN)• 44-pin low-profile quad flat package (LQFP)• 42-pin shrink dual-in-line package (SDIP)• 32-pin low-profile quad flat package (LQFP)图1.MC9S08AC16系列方框图图2.MC9S08AC16系统时钟分布方框图三相BLDC/PMSM低压马达控制驱动方案Freescale’s 3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive is a 3-phase power stage that will operate with DC input voltages in the range 12–24 V, 4 A. Together with the daughter boards, it provides asoftware-development platform that allows algorithms to be writtenand tested without designing and building any hardware. It supports a variety of algorithms for PMSM and brushless DC (BLDC) motors.The 3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive containsreverse-polarity protection circuitry, MOSFET-gate-drive circuits, analog-signal conditioning, low-voltage power supplies and bridge MOSFETs. The power devices do not need to be mounted on a heatsink.There are controller daughter boards available with these controllers:•MC56F8013/23 — LQFP32•MC9S08AC16 — LQFP44•MCF51AC256 — LQFP80•MC9S08MP16 — LQFP48•MC56F8006 — LQFP32板主要特性:•Power supply voltage input 12–24 V DC, extended up to 50 V (see chapter 2.2 Electrical Characteristics for details)•Output current 4 A•Power supply reverse polarity protection circuitry•3-phase bridge inverter (6 MOSFET’s)•3-phase MOSFET gate driver with overcurrent and undervoltage protection•3-phase and DC-bus-current-sensing shunts•DC-bus voltage sensing•3-phase back-EMF voltage-sensing circuitry•Low-voltage on-board power supplies•Encoder/hall sensor sensing circuitry•Motor power and signal connectors•2 connectors for daughter board connection•CAN physical layer•USB interface•User LED, power-on LED, 6 PWM LED diodes, and SCI activity LED diodes•Up, down, toggle switches•Reset push-button图3.三相BLDC/PMSM低压马达控制驱动板外形图。