1.1 pmsm和bldcm的相似之處
pmsm起源於饒線式同步電機，它用永磁體代替了繞線式同步電機的激磁繞組，它的乙個顯著特點是反電勢波形是正弦波，與感應電機非常相似。在轉子上有永磁體，定子上有三相繞組。
bldcm起源於永磁直流電機，它將永磁直流電機結構進行「裡外翻」，取消了換相器和電刷，依靠電子換相電路進行換相。轉子上有永磁體，定子上有三相繞組。
目前在空間飛行器中使用的pmsm和bldcm轉子主要是表面貼裝永磁體結構。因此從構成結構上看，兩者非常相似。
1.2 pmsm和bldcm的不同之處
● 反電勢不同，pmsm具有正弦波反電勢，而bldcm具有梯形波反電勢。
● 定子繞組分布不同，pmsm採用短距分布繞組，有時也採用分數槽或正弦繞組，以
進一步減小紋波轉矩。而bldcm採用整距集中繞組。
● 執行電流不同，為產生恆定電磁轉矩，pmsm需要正弦波定子電流；bldcm需要矩形
波電流。pmsm和bldcm反電勢和定子電流波形如圖1所示。
圖1 pmsm和bldcm反電勢和定子電流波形
● 永磁體形狀不同，pmsm永磁體形狀呈拋物線形，在氣隙中產生的磁密盡量呈正弦
波分布；bldcm永磁體形狀呈瓦片形，在氣隙中產生的磁密呈梯形波分布。
● 執行方式不同，pmsm採用三相同時工作，每相電流相差120°電角度，要求有位置
感測器。bldcm採用繞組兩兩導通，每相導通120°電角度，每60°電角度換相，只需要換相點位置檢測。
正是這些不同之處，使得在對pmsm和bldcm的控制方法、控制策略和控制電路上有很
大的差別。
2 pmsm和bldcm特性分析
按照空間應用中最關心的特性：功率密度、轉矩慣量比、齒槽轉矩和轉矩波動、反饋元件、逆變器容量等特性對pmsm和bldcm進行對比分析。
2.1 功率密度
在機械人和空間作動器等高效能指標應用場合，對於給定的輸出功率，要求電機重量越小越好。功率密度受電機散熱能力即電機定子表面積的限制。對於永磁電機，絕大多數的功率損耗產生在定子，包括銅耗、渦流損耗和磁滯損耗，而轉子損耗經常被忽略。
所以對於乙個給定的結構尺寸，電機損耗越小，允許的功率密度就越高。假設pmsm和bldcm的渦流損耗、磁滯損耗和銅耗相同，比較兩種電機的輸出功率。
pmsm中，正弦波電流可以通過滯環或pwm電流控制器得到，而銅耗基本上由電流決定。設正弦波電流幅值為，則有效值為，銅耗為，為相電阻。bldcm中，銅耗為，為梯形波電流峰值。
假設損耗相同，則可得出，所以bldcm輸出功率與pmsm輸出功率之比為
6）式中，為反電勢幅值。
所以，在相同的尺寸下，bdlcm與pmsm相比，可以多提供15%的功率輸出。如果鐵耗也相同，bdlcm的功率密度比pmsm可提高15%。
2.2 轉矩慣量比
在伺服系統中，通常要求電機的最大加速度，轉矩慣量比就是電機本身所能提供的最大加速度。因為bdlc可以比pmsm多提供15%的輸出功率，所以它可獲得被pmsm多15%的電磁轉矩。如果bdlc和pmsm具有相同速度，它們的轉子轉動慣量也相同，那麼bdlc的轉矩慣量比要比pmsm大15%。
2.3 齒槽轉矩和波動轉矩
轉矩脈動是機電伺服系統的最大困擾,它使精確的位置控制和高效能的速度控制很困難。在高速情況下，轉子慣量可以過濾掉轉矩波動。但在低速和直接驅動應用場合，轉矩波動將嚴重影響系統效能，將使系統的精度和重複性惡化。
而空間精密機電伺服系統絕大多數工作在低速場合，因此電機轉矩脈動問題是影響系統效能的關鍵因素之一。
pmsm和bldcm都存在轉矩脈動問題。轉矩脈動主要有以下幾個原因造成：齒槽效應和磁通畸變、電流換相引起的轉矩及機械加工製造引起的轉矩。
● 齒槽效應
在永磁電機的電樞電流為零的情況下,當轉子旋轉時,由於定子齒槽的存在,定子鐵芯磁阻的變化產生了齒槽磁阻轉矩,齒槽轉矩是交變的, 與轉子的位置有關,它是電動機本身空間和永磁場的函式。在電機製造上,將定子齒槽或永磁體斜乙個齒距, 可以使齒槽轉矩減小到額定轉矩的1% -2%左右。或者採用定子無槽結構，可以徹底消除齒槽效應，但這些方法都將降低電機的出力。
pmsm和bdlc中的齒槽轉矩脈動沒有明顯的差別。
● 磁通畸變和換相電流畸變引起的轉矩脈動
磁通畸變和電流畸變是指pmsm中氣隙磁場、反電勢和電樞電流是非正弦波，bldcm中氣隙磁場和反電勢非梯形波，電樞電流是非矩形波。氣隙磁場和電樞電流相互作用後會產生轉矩波動，反電動勢與理想波形的偏差越大, 引起的轉矩脈動越大。
bldcm中,電機的電感限制了換相時繞組電流的變化率，定子繞組電流不可能是矩形波。只能得到梯形波電流，引起較大的轉矩波動。另外，bldcm定子合成磁通不是平滑地旋轉，而是以一種不連續地狀態向前步進，定、轉子旋轉磁通不可能是嚴格同步的，這會造成轉矩的脈動，脈動頻率為基波的6倍。
而在pmsm中產生正弦波電流是可能的，pmsm理想執行狀態是正弦分布的氣隙磁密同正弦繞組電流產生恆定轉矩，而實際上，pmsm中氣隙磁密遠非正弦波分布，而是梯形波分布，無疑引起了轉矩脈動。但它和電樞電流波形不匹配引起的轉矩波動要比bdlc中的轉矩波動小的多，況且pmsm定子合成磁通是平滑地連續旋轉。因此pmsm的轉矩波動明顯要小於bldcm。
● 逆變器電流控制環節引起的轉矩脈動
在bldcm中，電流滯環控制器中滯環寬度和pwm電流控制器開關頻率將引起bldcm實際電流圍繞期望電流上下高頻波動，電機轉矩也出現高頻波動，通常幅度要低於換相電流引起的轉矩波動。
在pmsm中，也會出現由滯環或pwm電流控制器引起的高頻轉矩波動，通常比較小，並由於開關頻率較高，很容易被轉子慣量過濾掉。
因此，從轉矩波動看，pmsm比bdlc具有明顯的優勢，bdlcm適合用在低效能低精度的速度和位置伺服系統。而pmsm適合用在高效能的速度和位置伺服系統。
2.4 伺服系統中的訊號反饋元件
pmsm需要正弦波電流，而bldcm需要矩形波電流，導致了反饋元件的不同。bldcm中，每一時刻只有兩相繞組導通，每相導通120°電角度，電流每60°電角度換相一次，只要正確檢測出這些換相點，就能保證電機正常執行，在空間機電系統中最常見的位置感測器是霍爾位置開關。在pmsm中，需要正弦波電流，電流幅值由轉子瞬時位置決定，電機工作時所有三相繞組同時導通，需要連續的位置感測器，在速度伺服系統中仍需連續位置感測器，空間機電系統中最常見的位置感測器有旋轉變壓器+rdc解碼模組、光電編碼器和同步感應器+rdc解碼模組。
bldcm構成的速度伺服系統中，只需要乙個低解析度的感測器，從這一點看，如果換相引起的轉矩波動可以接受，bldcm比pmsm更適合於速度伺服系統，而在位置伺服系統中，由於需要位置感測器，bldcm與pmsm相比沒有優勢。
對於電機電流感測器，bldcm和pmsm伺服系統一般只需要兩個電流感測器測量兩個繞組電流，第三個繞組電流可以由兩個電流測量值推算出來。最常見的電流感測器是霍爾電流感測器。
2.5 逆變器容量
對於給定電流逆變器（滯環或pwm電流逆變器），假設其連續額定電流為。電機最大反電勢為，當驅動pmsm時，最大可能的輸出功率為，而驅動bldcm時，最大可能的輸出功率為。因此bldcm最大輸出功率與pmsm時最大輸出功率比為，即bldcm可多輸出的功率，當然考慮到bldcm的鐵損增加，這個數值要小一些。
2.6 控制系統結構不同
分別以空間應用常見pmsm位置伺服系統和bldcm位置伺服系統為例說明主要區別。
● 基於三環控制結構的pmsm轉子磁場定向位置伺服系統見圖2所示。
圖2 pmsm位置伺服系統轉子磁場定向向量控制框圖
設轉子位置角，則逆變器輸出的定子三相電流給定瞬時值應為
7）式中，為逆變器輸出的給定定子電流幅值。
則永磁同步電機電磁轉矩方程為
8）因此，在轉子磁鏈定向控制中，把定子電流向量始終控制在q軸上，即定子電流d軸勵磁分量=0，準確檢測出轉子空間位置（d軸），通過控制逆變器使三相定子的合成電流向量位於q軸上，那麼電機的電磁轉矩只與定子電流的幅值成正比，就能很好地控制轉矩。電流環通常採用pwm電流跟蹤控制。
● 基於三環控制結構的bldcm位置伺服系統控制框圖見圖3所示。
圖3 bldcm位置伺服系統控制框圖
從上面系統控制結構可以看出，基於pmsm和bldcm組成的伺服系統兩者最大的區別在於電流環的控制上。在pmsm位置伺服系統中，只要改變給定位置訊號的極性，就可以使pmsm方便地在四象限執行。而在bldcm位置伺服系統中，必須經過執行狀態（正、反轉，電、制動）判別後，經過邏輯控制單元產生功率開關控制訊號，再與pwm訊號綜合後驅動功率電路，從而控制bldcm的執行。
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