直流無刷電機(jī)(圖)-永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子-重慶永磁同步電機(jī)

做控制的人都知道，任何電機(jī)的控制，無非三種不同的控制目標(biāo)：

位置控制：想讓電機(jī)轉(zhuǎn)多少度它就轉(zhuǎn)多少度

速度控制：想讓電機(jī)轉(zhuǎn)多快它就轉(zhuǎn)多快

力矩控制：想讓電機(jī)出多少力它就出多少力

要控制一個(gè)電機(jī)，首先對被控對象的了解是必須的。讓我們用下面這張動(dòng)圖來幫助理解永磁同步電機(jī)是怎樣運(yùn)動(dòng)起來的。定子三相上通過互差120度的交變電壓以后，表貼式永磁同步電機(jī)，在定子鐵芯上可以看到產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的磁場（動(dòng)圖中代表磁場方向的紅綠顏色逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），在這個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場作用下，與轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生力的作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)力矩是如何產(chǎn)生的呢？在前文《電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速和功率》，我們分析過力矩與電樞（定子）電流成正比；

那么電流是如何產(chǎn)生的呢？我們可以把電機(jī)的每一個(gè)繞組想象成一個(gè)在磁場中旋轉(zhuǎn)的電阻+電感，如下面的等效電路：

假設(shè)電機(jī)開環(huán)運(yùn)行，當(dāng)給定電機(jī)定子三相一個(gè)互差120度的電壓建立起旋轉(zhuǎn)磁場以后，如果這個(gè)時(shí)候沒有負(fù)載，電機(jī)會飛速的轉(zhuǎn)動(dòng)起來（空載），直到反電勢和給定電壓完全相等；此時(shí)定子繞組中的電流為仍然為0，可以將定子的旋轉(zhuǎn)磁場假想（虛擬/等效）成一個(gè)繞著電機(jī)軸心旋轉(zhuǎn)的磁鐵，假想出來的這塊磁鐵的南極與轉(zhuǎn)子磁鐵的北極軸線相重合；

當(dāng)轉(zhuǎn)子上有了負(fù)載以后，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速必然會有一個(gè)減速的過程，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子，這就意味著上述等效電路中的反電勢降低，而在給定電壓不變的情況下，剩下的那些電壓就會在電阻中產(chǎn)生電流了。在那這一段減速的過程當(dāng)中還發(fā)生了什么事情呢？因?yàn)楸回?fù)載拖拽了一下，轉(zhuǎn)子磁鐵的軸心比虛擬出來的定子磁鐵軸心要之后一個(gè)角度了，這個(gè)角度就是我們所謂的“功角”。

關(guān)于電機(jī)的矢量模型，互聯(lián)網(wǎng)上可以找到各種各樣的圖，但這些圖要么太抽象，看了半天不知所云，沒法和實(shí)物對照起來；要么不夠，一張圖里的內(nèi)容有限，對實(shí)際工作指導(dǎo)意義不大。

BLDC屬于同步電機(jī)的一種，這就意味著它的定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場是同頻率的，所以BLDC并不會產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)的頻差現(xiàn)象。BLDC中又有單相、2相和3相電機(jī)的區(qū)別，相類型的不同決定其定子線圈繞組的多少。在這里我們將集中討論的是應(yīng)用最為廣泛的3相BLDC。

2.1 定子
BLDC定子是由許多硅鋼片經(jīng)過疊壓和軸向沖壓而成，每個(gè)沖槽內(nèi)都有一定的線圈組成了繞組，可以參見下圖。從傳統(tǒng)意義上講，永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)，BLDC的定子和感應(yīng)電機(jī)的定子有點(diǎn)類似，不過在定子繞組的分布上有一定的差別。大多數(shù)的BLDC定子有3個(gè)呈星行排列的繞組，每個(gè)繞組又由許多內(nèi)部結(jié)合的鋼片按照一定的方式組成，偶數(shù)個(gè)繞組分布在定子的周圍組成了偶數(shù)個(gè)磁極。

BLDC的定子繞組可以分為梯形和正弦兩種繞組，它們的根本區(qū)別在于由于繞組的不同連接方式使它們產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（反電動(dòng)勢的相關(guān)介紹請參加EMF一節(jié)）不同，分別呈現(xiàn)梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢的波形圖如下圖。
另外還需要對反電動(dòng)勢的一點(diǎn)說明就是繞組的不同其相電流也是呈現(xiàn)梯形和正弦波形，可想而知正弦繞組由于波形平滑所以運(yùn)行起來相對梯形繞組來說就更平穩(wěn)一些。但是，正弦型繞組由于有更多繞組使得其在銅線的使用上就相對梯形繞組要多。
由于應(yīng)用電壓的不同，我們可以根據(jù)需要選擇不同電壓范圍的無刷電機(jī)。48V及其以下應(yīng)用電壓的電機(jī)可以用在汽車、機(jī)器人、小型機(jī)械臂等方面。100V及其以上電壓范圍的電機(jī)可以用在器具、自動(dòng)控制以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

2.2 轉(zhuǎn)子
定子是2至8對永磁體按照N極和S極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍構(gòu)成的（內(nèi)轉(zhuǎn)子型），如果是外轉(zhuǎn)子型BLDC那么就是貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁咯。

永磁同步電機(jī)的調(diào)速主要通過改變供電電源的頻率來實(shí)現(xiàn)。目前常用的變頻調(diào)速方式有轉(zhuǎn)速閉環(huán)恒壓頻比控制（v/f）、轉(zhuǎn)差頻率控制、基于磁場定向的矢量控制（Vector Cool）以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Cool）。

1、矢量控制
1971 年，工程師Balschke 提出矢量控制理論，使交流電機(jī)控制理論獲得了一次質(zhì)的飛躍。其基本思想為：以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流勵(lì)磁分量，重慶永磁同步電機(jī)，另一個(gè)與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量，分別對它們進(jìn)行控制，獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。因其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制軟件實(shí)現(xiàn)較容易，已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。但矢量控制方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，并需準(zhǔn)確觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，而且對電機(jī)的參數(shù)依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。采用矢量控制理論進(jìn)行控制時(shí)，具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特性。矢量控制的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能較好。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能。解決方法是采用智能化調(diào)節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調(diào)速性能和魯棒性。