FOC项目知识点总结一 | 概念扫盲——从有刷直流电机到PMSM和BLDC

1 有刷直流电机

直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如下图所示：

电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢） 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流， 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。

有刷直流电机缺点：

1. 结构相对复杂，增加了制造成本；
2. 容易被环境（如灰尘等）影响，降低了工作的可靠性；
3. 换向时会产生火花，限制了使用范围；
4. 容易损坏，增加了维护成本等。

2 BLDC：无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor）

无刷直流电机克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器。无刷直流电机的实质是直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机。如下动图：

上面的三根线就是对应三相输入。

著名的MIT机器狗，就是用无刷电机驱动（MIT狗的无刷电机自带驱动板，只需输入直流电和 CAN 信号即可驱动）

无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向(相)，牺牲的代价是电机控制器成本的提高(如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管)。

无刷直流电机优点：

1. 无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；
2. 无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；
3. 无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；
4. 无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态；
5. 无刷直流电机的体积小，功率密度高；
6. 无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高；
7. 无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单

运用领域：

1. 办公计算机外围设备、电子数码消费品领域
2. 工业控制领域
3. 医疗设备领域
4. 汽车领域
5. 家用电器领域

3 PMSM：永磁同步电机（Permanent-magnet Synchronous Motor）

指一种转子用永久磁铁代替绕线的同步马达。

永磁同步电动机（PMSM）使用永磁体埋设在转子钢以产生恒定磁场。定子带有连接到交流电源的绕组，以产生旋转磁场（例如在异步电动机中）。转子磁极以同步速度锁定在旋转磁场中。永磁同步电动机类似于无刷直流电动机。钕磁铁是这些电动机中最常用的磁铁。

4 BLDC 与 PMSM 的区别

无刷电机其实可以分为无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM），结构大同小异，主要区别在于制造方式（线圈绕组方式）不同导致的一些特性差异（比如反电动势的波形）。其实现在BLDC也可以成为永磁无刷直流电机。

从上面分析的无刷电机模型其实可以看到，由于转子在磁场中只有6个稳定的状态，因此旋转过程其实是不平滑的，存在扭矩的抖动（没有通电的时候可以用手转一下无刷电机，会感受到这种“颗粒感”）。因此为了解决这个问题，从“硬件”和从“软件”出发有两个解决方案，这就衍生出了BLDC和PMSM的区别。

永磁同步电机可按其感应电动势的波形分类：正弦波的时候称为永磁同步电机（PMSM），梯形波的时候为永磁无刷直流电机（PMBLDC）

简单地说，BLDC由于反电动势接近梯形波，所以依然是采用方波驱动，肯定是会有上面说的抖动问题的，但是转一圈抖6下太明显了，如果我增加电机槽、极对数（也就是磁铁对数），那以前是360度里面抖6下，现在变成120度里面抖6下，甚至更小，这样“颗粒感”就变得更小了。实际中买到的BLDC电机基本都是多极对的，原理跟之前的分析是一样的，出来的都是三相信号（图中的三根线），可以自己进行类推。