多相永磁同步电动机调速系统建模与工程实现

摘要本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB 进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。

永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。

以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。

目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。

在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。

关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。

ABSTRACTIn the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM), gives a explanation about its basictheory, structure. Then it builds a mathematical model, and uses MATLAB to simulate that model.The PMSM is a nonlinear, strong-coupling and time-varying system, so in the operation process, it will be influenced by many factors such asload disturbance. Therere, it is necessary to take action when researching the control method of PMSM. The former research method is setting up a platform on hardware to perform experimensbut it is undesirable, because it often cause some loss, and the feedback cycle is longer than research cycle. As fordomestic and international current situation on the research of PMSM, it is obvious that researching under the simulation model created by MATLAB could greatly reduce the cost and cycle of researchment. When using MATLAB to build simulation model on the research of PMSM, we can transform these disturbance factors into analog signal, making a qualitative analysis to draw conclusions from them.Keywords：PMSM, SVPWM, MATLAB simulation, mathmatical model目录摘要 (I)ABSTRACT .............................................. I I 目录............................................... I II 第一章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究的目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 国内研究历史及现状 (2)1.2.2 国外研究现状及趋势 (2)1.3 本文的主要内容 (3)第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型 (5)2.1 引言 (5)2.2 永磁同步电机调速系统的结构 (5)2.3 永磁同步电机调速系统的数学模型 (6)2.3.1 PMSM在ABC坐标系下的磁链和电压方程 (6)坐标系下的磁链和电压方程 (8)2.3.2 PMSM在02.3.3 PMSM在dq0坐标系下的磁链和电压方程 (9)2.4 永磁同步电机的控制策略 (11)2.5 本章小节 (12)第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 (14)3.1 引言 (14)3.2 永磁同步电动机的矢量控制 (14)3.3 空间矢量脉宽调制概念 (15)3.4 SVPWM模块的建立 (17)3.5 本章小结 (23)第四章基于Matlab的永磁同步调速系统仿真模型的建立 (24)4.1 引言 (24)4.2 MATLAB软件的介绍 (24)4.3永磁同步电机调速系统整体模型的建立 (25)4.4仿真参数调试及结果分析 (28)4.5本章小结 (29)第五章总结与展望 (30)5.1全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (33)第一章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流调速系统应用越来越广泛。

永磁同步电动机矢量控制调速系统建模与仿真第1章引言随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。

电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。

交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。

交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。

直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。

随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。

因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。

1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。

矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。

矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。

矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。

这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。

永磁同步电机（PMSM）采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一。

永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展，因此如何建立有效的仿真模型具有十分重要的意义。

对于在Simulink中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受到广泛关注。

第2章 电压空间矢量技术的基本原理PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变频、调压及减少谐波含量的一种控制技术。

永磁同步电动机调速控制系统的设计
永磁同步电动机调速控制系统是一种高性能的电动机调速系统，广泛应用于工业生产和交通运输等领域。

本文将介绍永磁同步电动机调速控制系统的设计原理和关键技术。

需要了解永磁同步电动机的工作原理。

永磁同步电动机是一种通过磁场同步转速实现转速调节的电动机。

它的主要特点是结构简单、功率密度高、效率高，而且具有较好的调速性能和动态响应特性。

永磁同步电动机调速控制系统主要由电机模型、控制器和功率放大器组成。

电机模型用于描述电机的动态特性，控制器用于设计调速算法，功率放大器则用于控制电机的电流和转矩。

在设计永磁同步电动机调速控制系统时，首先需要建立电机的数学模型。

该模型通常由永磁同步电动机的转矩方程、电流方程和转速方程组成。

利用这些方程可以计算出电机的电流和转矩，从而实现对电机的调速控制。

接下来，需要设计合适的控制器来实现电机的调速控制。

控制器通常采用基于反馈的控制算法，例如比例积分控制（PI控制）。

通过监测电机的转速和电流，控制器可以根据设定值和反馈信号来调整电机的输出转矩，从而实现电机的调速控制。

需要使用功率放大器来控制电机的电流和转矩输出。

功率放大器通常采用PWM（脉冲宽度调制）技术，通过调节电流的占空比来控制电机的输出转矩。

这样可以实现电机的平滑运行，并且提高整个系统的效率和稳定性。

永磁同步电动机调速控制系统设计涉及到电机模型建立、控制器设计和功率放大器选择等关键技术。

通过合理的设计和调试，可以实现永磁同步电动机的精确调速控制，从而满足不同应用场景的需求。

这对于提高工业生产效率和减少能源消耗具有重要意义。

AUTO PARTS | 汽车零部件小功率内燃机车用永磁同步电机调速系统的建模与仿真孟凡顺柳州铁道职业技术学院 广西柳州市 545616摘 要： 由于结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高等特点，近年来永磁同步电动机（PMSM）已成为轨道交通领域研究的焦点。

本文介绍了PMSM在控制系统中的优势，利用Matlab|simulink仿真软件，采用坐标变换、SVPWM算法，建立PMSM及其矢量控制系统的仿真模型。

通过观测定子三相电流、电机转速、转矩以及d、q轴电流的变化，对系统中的参数进行调整。

结果表明，该调速系统调速特性好、响应速度快，验证了采用d i=0的SVPWM矢量控制对PMSM的可行性与合理性。

关键词：SVPWM矢量控制　永磁同步电机　MATLAB仿真1　引言PMSM作为内燃机车的关键动力执行机构，与异步电动机相比具有体积小、功率因数高、过载能力强等特点，已逐渐被业界公认为未来轨道交通牵引传动的一个发展趋势。

随着PMSM的发展以及永磁材料的不断发掘和改善，PMSM在电动汽车领域的应用已逐渐成熟，但在轨道交通领域还处于起步阶段，因此具有一定研究意义[1]。

结合内燃机车的工况，本文对PMSM 调速系统进行建模与仿真，搭建矢量控制系统模型，通过调整相关参数，得到了平稳的电流、电机转速、转矩等数据，验证了矢量控制对内燃机车永磁同步牵引系统的可行性与合理性[2]，为PMSM在内燃机车上的应用积累经验。

2　永磁同步电机的数学模型为了简化分析，对PMSM进行理想化假设：（1）PMSM为理想电机；（2）忽略铁芯饱和的影响；（3）不考虑磁滞损耗和涡流损耗；（4）输入电机的工作电流是对称的三相正弦电流。

在同步旋转坐标系下电动机定子绕组电压方程为：（1）式中：d u、q u为定子电压在d-q轴的分量；d i为定子电流在直轴上的电流分量；qi为定子电流在交轴上的电流分量；R为定子上的电阻；dψ为定子磁链在直轴上的磁链分量；qψ为定子磁链在交轴上的磁链分量；eω是电角速度。

基于MATLA P SIMULINK永磁同步电动机变结构调速系统的建模与仿真上海交通大学（上海市，200030）王微子周顺荣摘要研究如何利用变结构控制理论设计永磁同步电动机的调速控制系统，这种控制系统基于同步电动机的转子磁链定向控制理论；论文中还对该系统进行数学建模，并通过MATLA B SIMULINK a行了仿真实验。

关键词永磁电机调速系统仿真1引言永磁同步电动机转子旋转时转子磁场在定子绕组中产生正弦波形的反电势，采用这种电机的调速系统一般称之为正弦型永磁同步电动机（PMSM调速系统。

PMS多采用变频器供电，并引入矢量控制理论对电机实行磁场定向控制，大大改善了电机的调速性能和运行特性。

本文详细论述了如何使用变结构控制理论来设计PMS啲调速系统。

文中采用特定方法不断改变控制系统的结构参数，并设计系统的控制率，从而使电机的起动、运行、调速和制动达到预期的效果，并且系统对模型参数和外部干扰具有很好的适应性，鲁棒性很好。

论文最后还利用MATLAB^件提供的仿真工具SIMULINK对PMSI的变结构控制系统进行了可靠的仿真实验。

2 PMS碉速系统的数学模型采用转子磁链定向的矢量控制（即i s d= 0）方法对PMSMI速时，要求电机定子三相电流合成的空间综合矢量i s应该位于q轴上，此时定子电流全部用来产生转矩。

若令I = i s，p m W r，则电磁转矩方程为r = x / （z这种控制方式最为简单，只须准确检测出转子空间位置（d轴），通过控制逆变器输出使三相定子电流的合成矢量位于q轴上即可。

设电机转子的初始位置恰好为d 轴与A轴重合处，转子旋转后d轴与A轴夹角为宀转子瞬时角速度。

则当定子三相电流满足下列关系时，其合成矢量i s必与q轴重合= v^2/3 ■ T * ro'tf tilt十9（F ）"i. = /w * r • 回+ w - i2（r）* （2）u x /2a * r ・ w（如 + 9（r按式（2｝进行电流控制、即町探证＜=「M电鐵转矩其中町为曲流联转矩控制是电机调速的关键，拖动控制系统的基本运动方程为T T dn d n= 375 di =九山八瞪八K ；T*电机转过前角度冷満足 则可推出PMSM 转子磁链定向控制系统矩阵形式的状态方程如下设输出为【 0]A =T OfH - 札 • 0」 :丄〕C = K.0」f I 0] H =则柑PMSM 电机矢带控制的状态方押X s AX + H/ - GT t [Y = HX ) 机调速控制中的应用设输入R （t ）为一理想的参考指令，表示电机起动、稳定运行或制动时的 性能要求，希望输出丫（t ）能很好地跟踪指令R （t ）变化，设跟踪误差向量为 E （ t ），则6()0'（7>3变结构控制理论在电£(t) = Y(t) - K(t)据童帖构控制埠思.取切换确数为$(<)= CE {t )= c[r(n - /?(；)]⑻ 式中•矢ht (：称作权*ft 矩阵•文中從仿真时取C = [0.5 0.5]由式⑺和⑻可得 S = CE = F - A 心C x ( HAX + HRI - HGT t ■ Jt) ( * } 变结构控制到达的条件为5(1)x< 0 因此由式(8)算出的S (t )符号可知' 符号，结合式(*)即可得出控制变 量I 的取值范围。

永磁同步电机驱动控制系统的设计与实现近年来，电动汽车成为了汽车市场的新宠。

而永磁同步电机则成为了电动汽车中最为优秀的一种电机类型。

永磁同步电机具有高效率、高功率密度、高转速、低噪音、抗干扰等优点，成为电动汽车中主流的驱动电机类型。

本文将重点介绍永磁同步电机驱动控制系统的设计与实现。

1. 永磁同步电机的原理与分类永磁同步电机是一种同步电机，其工作原理与感应电机类似，但与感应电机相比，永磁同步电机具有更高的效率和更高的功率密度。

永磁同步电机根据转子结构和磁场分布方式的不同，可以分为内转子型和外转子型两种类型。

2. 永磁同步电机驱动系统的组成永磁同步电机的驱动系统由电机驱动器、转子位置传感器、控制器和电源组成。

其中，电机驱动器是永磁同步电机的重要部分，它将电源的直流电转换为交流电，以驱动永磁同步电机运转。

转子位置传感器用于实时检测永磁同步电机的转子位置和速度信息，控制器则根据转子位置和速度信息，计算出电机所需的转矩和电流，并将其输出给电机驱动器控制永磁同步电机的转速和转矩。

电源则为整个系统提供供电，保证系统正常运作。

3. 永磁同步电机驱动控制系统的设计（1）电机驱动器的设计电机驱动器是永磁同步电机驱动控制系统中的核心部分。

常见的电机驱动器包括直接式和间接式两种类型。

其中，直接式电机驱动器具有结构简单、效率高、体积小等优点，被越来越多的厂商所采用。

在永磁同步电机驱动控制系统的设计中，直接式电机驱动器可选择使用三相桥式变流器或NPC(Neutral Point Clamped)逆变器。

三相桥式变流器结构简单，控制方便，是目前应用最为广泛的一种电机驱动器类型；NPC逆变器则由于其更高的效率和更低的谐波含量，被越来越多的厂商所倾向。

（2）转子位置传感器的设计转子位置传感器用于实时检测永磁同步电机的转子位置和速度信息。

常用的转子位置传感器包括霍尔传感器、编码器、绝对值编码器等。

其中，霍尔传感器具有体积小、价格低廉、安装方便等优点，但由于其精度较低，一般应用于电动自行车等简单的应用场合；编码器具有较高的精度和稳定性，广泛应用于电动汽车等高端应用场合。

基于MATLABSimulinkSimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真一、本文概述随着电力电子技术和控制理论的快速发展，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的调速性能，在电动汽车、风力发电、机器人和工业自动化等领域得到了广泛应用。

然而，PMSM的高性能运行依赖于先进的控制系统，其中矢量控制（Vector Control, VC）是最常用的控制策略之一。

矢量控制，也称为场向量控制，其基本思想是通过坐标变换将电机的定子电流分解为与磁场方向正交的两个分量——转矩分量和励磁分量，并分别进行控制，从而实现电机的高性能运行。

这种控制策略需要对电机的动态行为和电磁关系有深入的理解，并且要求控制系统能够快速、准确地响应各种工况变化。

MATLAB/Simulink/SimPowerSystems是MathWorks公司开发的一套强大的电力系统和电机控制系统仿真工具。

通过Simulink的图形化建模环境和SimPowerSystems的电机及电力电子元件库，用户可以方便地进行电机控制系统的建模、仿真和分析。

本文旨在介绍基于MATLAB/Simulink/SimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真方法。

将简要概述永磁同步电机的基本结构和运行原理，然后详细介绍矢量控制的基本原理和坐标变换方法。

接着，将通过一个具体的案例，展示如何使用Simulink和SimPowerSystems进行永磁同步电机矢量控制系统的建模和仿真，并分析仿真结果，验证控制策略的有效性。

将讨论在实际应用中可能遇到的挑战和问题，并提出相应的解决方案。

通过本文的阅读，读者可以对永磁同步电机矢量控制系统有更深入的理解，并掌握使用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems进行电机控制系统仿真的基本方法。

永磁同步电动机调速控制系统的设计引言一、控制系统结构设计1.速度控制回路速度控制回路中一般采用PID控制器进行控制。

PID控制器由比例、积分和微分三个控制参数组成。

根据实际的反馈信号和设定的目标转速进行比较，PID控制器输出控制信号，调节电机的输入电压，从而实现对电机转速的精确控制。

2.电流控制回路电流控制回路中一般采用电流矢量控制算法进行控制。

电流矢量控制是一种通过控制电机的相电流矢量方向和大小，实现对电机转矩的精确控制的方法。

在永磁同步电动机中，通常通过调节电机的电压和频率来控制电流。

二、电机参数辨识与模型建立在控制系统设计前，需要对永磁同步电动机的参数进行辨识。

参数辨识是通过对电机的测试实验数据进行分析和处理，得到电机的相关参数，如电感、电阻、转矩常数等。

通过辨识得到的电机参数，可以建立电机的数学模型，用于控制系统设计和仿真分析。

1.参数辨识方法参数辨识可以使用多种方法，如静态法、动态法和频率扫描法等。

静态法是通过给电机施加不同的电压和载荷，测量相应的电流和转矩，根据测量数据拟合得到电机的参数。

动态法是通过给电机施加特定的电压和频率，测量相应的响应数据，利用系统辨识的方法得到电机的参数。

频率扫描法是通过改变电机的频率，测量相应的电流和转矩，根据传递函数的理论计算得到电机的参数。

2.永磁同步电动机模型建立三、控制策略设计对于永磁同步电动机的调速控制系统，可以采用多种控制策略，如传统的PI控制、模糊控制和模型预测控制等。

1.PI控制PI控制是最常用的控制策略之一，通过调节比例和积分系数来实现对电机转速的控制。

PI控制简单可靠，但对于电机模型的误差和扰动比较敏感。

2.模糊控制模糊控制是一种基于经验和模糊推理的智能控制方法，通过建立模糊规则和模糊推理机制，实现对电机的转速控制。

模糊控制能够在不确定性和非线性环境中实现较好的控制效果。

3.模型预测控制模型预测控制是一种基于模型预测和优化求解的控制方法，通过建立电机的预测模型，并进行优化求解，实现对电机的转速控制。