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永磁同步电机矢量控制系统仿真研究

摘要：随着电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，交流调速

理论以及新型控制理论研究的不断深入，永磁交流调速系统在机电一体化、机

器人、柔性制造系统等高科技领域中占据了日益重要的地位。永磁同步电动机

具有能量转换效率高、体积小，运行可靠性高、调速范围广，动、静特性好等

优点，这使得永磁同步电动机技术得到了迅速发展。PWM控制技术从最早追求

电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，得到了不断创新和完善。本

文是在此基础上，参照了众多学者的研究，对永磁同步电机进行了矢量控制的

研究，并通过建立仿真模型，对矢量控制下永磁同步电机进行仿真，并对结果

进行分析。

关键词：永磁交流调速，PWM控制技术，永磁同步电动机

1PMSM数学模型介绍

精确的电机数学模型是电机控制理论得以研究与实现的基础，因此首先给出三相永磁

同步电动机数学模型。

推导前作如下假设：

1）定子三相绕组对称，Y型连接；

2）反电动势正弦；

3）铁磁部分磁路线性，即不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；

4）转子无阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；
PMSM在a-b-c坐标系统中电压方程用矩阵形式表示为：

（1）

其中定子电枢相电阻；、、定子绕组端电压瞬时值；、、定子绕组

相电流瞬时值；、、磁链瞬时值；微分算子，。

PMSM定子绕组电感系数是转子位置角的函数，其电压方程、磁链方程

都是含有时变系数的微分方程组，在分析PMSM工作过程时用解析法求解时变

系数方程组是比较困难的，需要采取数值法求解，不便于工业控制应用。因此

采用park变换矩阵，将PMSM数学模型变换到固定在其转子上的两相旋转坐

标系d-q坐标系中，将上述含时变系数的微分方程组变换为易于求解的常系数

微分方程组，这对于分析PMSM动态过程和稳态过程都是十分有意义的。

从而得到建立在dq旋转坐标中和三相静止坐标中电机模型之间具有如下关系：

（2）

（3）

PMSM中定子绕组一般为无中线的Y型连接，固。

在dq旋转坐标系中PMSM的电流、电压、磁链和电磁转矩转矩方程为：
（4）

（5）

PMSM的运动方程为：

（6）

其中J为转动惯量，为负载转矩，是输出转矩，B为摩擦系数，为极对数。

2PMSM伺服控制系统电流环和速度环设计

从上面建立的数学模型可以知道，PMSM矢量控制最终归结为对电机定转子电流的控

制。矢量控制的PMSM伺服系统一般由电流环、速度环及位置环构成调节系统，各环节的

性能最优化是整个伺服系统高性能的基础，外环性能的发挥依赖于系统内环的优化。电流

环是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的

实现，也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证电流对矢量控

制的准确跟踪。

速度环同样也是位置伺服系统中的一个极为重要的环节，其控制性能是伺服性能的一

个重要组成部分，速度伺服控制应该具有高精度、快响应的特性，具体而言，反映为小的

速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。

3PMSM控制系统仿真分析

应用Mtlab/Simulink与电气传动仿真的电气系统模块库Powerlib，建立了

基于电流滞环跟踪控制的PMSM伺服系统矢量控制仿真结构图，采用三相Y接
PMSM，仿真参数如表1所示。转速调节器为PI型；速度给定值与实际电

角速度相比较后经转速调节器，输出为交轴电流参考电流参考值，直轴电

流给定值=0。、经dq/abc坐标变换得到三相电流给定值、、

，相电流给定信号与相电流反馈信号相比较，经过电流调节器的调节和

PWM产生电路产生控制逆变器的PWM信号，从而控制电机的三相电流。

表1PMSM仿真参数

额定功率/W电机永磁磁通/Wb极对数额定转矩逆变器输入直流电
/Nm

11000.17521.247160

额定转速定子电阻/定子电感
转动惯量/摩擦系数/
/rpm/mH
30002.8758.50

系统仿真时，空载启动，在0.04s时突加负载转矩3Nm，转速给定700rad/s，由

PMSMMeasurementDemux模块可以得到三相定子电流、、，dq轴电流、，

电磁转矩，转子电角速度。仿真结构如图6所示。

图6电流滞环控制输出的三相定子电流波形
电机启动时电流迅速达到最大值，然后稳定在正常值，当突加负载转矩时，电流经过

一个轻微的振动过程后稳定在一个新值。电磁转矩在电机启动时迅速达到最大值

（30Nm）然后快速稳定在正常值（3Nm），在0.04s时突加负载转矩3Nm，电磁转矩同

电流值一样经过一个轻微的振荡过程，然后稳定在一个