一、結構及其物理特性的差異

現(xiàn)代電機與控制技術以電流驅動模式的不同將永磁無刷直流電機分為方波驅動電機和正弦波驅動電機。前者被稱為無刷直流電動機活或是電子換相直流電動機(ElectronicallyCommutated Motor,ECM)，后者曾有人稱為無刷交流電動機BLAC，現(xiàn)在對于這兩種電機有了比較明顯且較為廣泛認同的稱謂：方波驅動的稱為無刷直流電機，正弦波驅動的稱為永磁同步電機。

表面上看，BLDC和PMSM的基本結構是相同的，并且確實有以下幾個相同點：

1、他們本質上都是永磁電動機，轉子由永磁體組成基本結構，定子安放有多相交流繞組;

2、都是由永磁體轉子和繞組定子的交流電流相互作用產生電機的轉矩，本質利用的物理原理都是通電導體在磁場中受力;

3、在繞組中的驅動電流必須與轉子位置反饋同步。

這兩種電機的不同點在于：

1、無刷直流電動機BLDC是方波電流驅動，而永磁同步電機PMSM是正弦波電流驅動。其不同之處主要由這一點造成。

2、永磁同步電機PMSM在電氣和機械方面更加安靜，轉矩基本沒有脈動，而BLDC是方波驅動，存在轉矩脈動。其原因在于：由于電感存在， 電流不會突變，因此在換相過程中斷開相電流，電流下降的過程和新接入的新相電流上升過程都需要時間，因此相電流不可能是理想的方波，從而會產生非換相相電流脈動，從而引起換相轉矩脈動。

3、因為驅動電流不同，氣息磁場波形、反電動勢波形、轉矩波形均不相同。如下圖所示為理想情況下：磁通密度分布、相反電動勢、相電流和電磁轉矩波形。此處電流為理想方波，實際是不存在的。

4、電流環(huán)路結構不同，速度反饋信息的獲取也不相同。

5、電動機氣息磁通密度分布設計和繞組設計不同，一個是針對正弦波驅動，一個是針對方波驅動，永磁同步電機追求正弦磁通，其繞組分布更多更分散，而無刷直流電機相對簡單，所以無刷直流電機造價相對便宜一些。

通過以上的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)一個BLDC的一個最大的缺點就是轉矩的脈動，其原因是方波驅動的固有缺點，那在很多篇文章和實際應用案例中，BLDC的轉矩脈動都是一個著重解決的問題，因此本篇文章不做具體闡述，這個重要的問題，在后面重點以單篇的形式進行分析。其實分析到這里就有人要問了，為什么永磁同步電機這么香，還要用BLDC呢?無他，省錢省事(手動狗頭)，電機便宜，方波的發(fā)波方式相對于SVPWM要簡單，CPU要求不高。我們自己學習的時候用的芯片，帶BLDC都是妥妥的。

二、數學模型的區(qū)別

永磁同步電機的數學模型一般以dq軸坐標系的模型為主要分析對象，這是因為永磁同步電機的電感是線性的，其反電動勢波形也是正弦的，在一個基波周期內的波形越接近于正弦，其諧波含量越小，精度越高，PMSM在dq坐標系的數學模型為：

電壓方程：

定子磁鏈方程：

電磁轉矩方程：

運動平衡方程：

無刷直流電動機的數學模型，由于BLDC采用整距集中繞組，感應電動勢為梯形波，包含許多高次諧波，并且BLDC的電感為非線性電感，因此BLDC并不適合在dq軸坐標系，坐標變換理論也并不適合，主要還是諧波太多了，dq分析不是很有效的方法，因此在分析和仿真BLDC控制系統(tǒng)時，直接采用相變量法，根據轉子位置，采用分段線性表示感應電動勢及其他物理量。

電壓方程：式中R為相定子電阻，i為相電流，P為微分算子，Lx為相定子電感，Lxy為相間互感，e為相反電動勢。

電磁轉矩方程：式中w為角速度，單位為rad/s。可以看到，BLDC的電磁轉矩和普通直流電機類似，其輸出轉矩大小與磁通大小和電流幅值成正比，因此控制逆變器輸出的電流幅值即可控制輸出轉矩。

運動平衡方程：式中B為摩擦系數，w為角速度，TL為負載轉速，dw/dt為加速度，J為轉動慣量。

其等效電路如下圖所示：可以看到BLDC是基于每相電路去分析的，都是一個電阻負載和一個電感負載，三相以星接的方式接在一起。因此也有重點電壓方程為：

三、驅動方式(調制模式之間的區(qū)別)

我想第三點大家最關心的就是BLDC和PMSM在發(fā)波方式上的區(qū)別了，其實控制器大都是PI調節(jié)器，我有了這個控制指令之后，如何驅動逆變器呢?BLDC和PMSM也是存在比較大的區(qū)別的，害，調制是最難的，處理恐懼的方式最好的就是面對它。干就完事兒了。兩者的功率回路是一樣的，這也意味著驅動BLDC的主回路也可以驅動PMSM。

首先PMSM的驅動發(fā)波方式，主要以FOC/SVPWM為主，SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態(tài)所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態(tài),從而形成PWM波形。這個有很多地方都有詳細的解釋，推薦一個大佬是解釋，大佬就是大佬，詳細具體，感謝他們的工作。

J Pan：如何深入理解SVPWM?900 贊同 · 159 評論文章

而BLDC就和這個有著明顯的差距，主要存在以下6中PWM發(fā)波方式，

第一種：on_pwm，120周期內的前60周期恒通，后60°斬波PWM調制。ABC三相同理。

第二種：pwm_on，120周期內的后60周期恒通，前60°斬波PWM調制。

第三種：H_pwm_L_pwn，是全120全調制。

第四種：H_pwm_L_on，上管調制，下管恒通。

第五種，H_on_L_pwm，上管調制，下管恒通。

第六種：H_L_pwm，上下管交替調制。

在這六種調制方法中，( c)和(f〉稱為“雙斬”方式，即兩個開關管都進行斬波;其余四種都叫“單斬”方式，即一個開關管恒通，另外一個進行斬波。單斬方式中，只斬上臂( d)或只斬下臂(e)這兩種方式實現(xiàn)較容易，但是會造成上下管的發(fā)熱不均勻。而(a)(b)這兩種單斬方式的開關損耗與(d)(e)相同，但是在兩管中平均分配。雙斬方式( c)中，開關損耗是單斬方式的兩倍，降低了控制器的效率，并且發(fā)熱增加了--倍。因此這種調制方式用的很少。(f)中利用兩個管子輪流進行調制，上下兩管的開關損耗相同，并且等效的開關頻率增加了一倍，特別是在一些器件的開關頻率較低的情況下，可以采用這種方法來提高等效開關頻率，是一種較理想的調制方法。

小結：

無刷直流電動機和永磁同步電機追根朔源其實是一種電機，結構上相同，只是由于驅動電流方式的不同，所以也有了各種不同的特性。在降低成本的前提下，也相應的降低了性能，需要通過特定的控制策略對其進行優(yōu)化。