永磁同步电机调速系统的建模与仿真

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。

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。

111111111 0 前言永磁同步电机调速技术的发展得于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。

电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。

脉宽调制方法(PWM和SPWM)、变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。

永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的复杂系统，其动态特性极其复杂，它是由一组高阶的非线性微分方程决定的，由于控制系统控制方式的复杂性，使动态特性的变化十分繁琐。

所以，对调速系统特性的分析研究，最好好在着手实际系统之前，先利用计算机仿真，由仿真的各方面结果给实际系统的设计、调试等方面提供借鉴和参考。

利用仿真实验对永磁同步电动机调速系统进行研究，从而为实际系统的设计提供可靠的参数。

本文在仿真过程中，采用MATLAB/SIMULINK软件。

1 永磁同步电动机的数学模型1.1 永磁同步电动机的结构和工作原理永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成。

永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。

其定子和异步电动机的定子结构基本相同。

空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速0n 为060fn p，f 为定子电流频率，p 为电动机极对数。

永磁同步电动机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、永磁磁钢及磁辘等部分组成.永磁体转子产生恒定的电磁场。

当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。

两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。

如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。

永磁同步电动机的定子与绕线式的定子基本相同。

但可根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。

安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计（2020届）题目永磁同步电机建模与仿真指导教师专业年级学号姓名刘李二〇二0年四月三十日安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计（论文）任务书专业年级学生学号姓名刘李任务下达时期：2019年12月21日设计（论文）日期：2019年12月21日至2020年4月30日设计（论文）题目：永磁同步电机建模与仿真设计（论文）主要内容和要求：本设计的主要内容本文共分为四章，主要针对永磁同步电机的建模与仿真进行相关研究。

第一章主要概述了永磁同步电机的应用与发展现状；第二章介绍了同步电机的理论基础，简要介绍了同步电机的原理和结构及起动运行；第三章介绍了永磁同步电机的控制策略；第四章着重介绍了永磁同步电机的建模与仿真，用MATLAB软件对其进行了仿真研究；最后对全文进行了总结。

指导教师签字：安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计(论文)指导教师评阅书指导教师评语(包含①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）；建议成绩：指导教师签字：年月日安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计(论文)答辩及综合成绩专业年级学生学号学生姓名摘要永磁同步电机是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。

它以体积小，损耗低，效率高等优点广泛应用于伺服驱动系统。

永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统目前已经向数字化方向发展，进一步适应了高速高精度机械加工的需要。

系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化。

因此，如何建立有效的永磁同步电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法的设计人员迫切需要解决的问题，它对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义。

本文提出了永磁同步电机PMSM 控制系统仿真建模的方法，在Matlab/ Simulink 环境下，通过对PMSM 本体、dq 坐标系向abc坐标系变换及反变换、三相电流源逆变器、ASR和ACR等功能模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。

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。

基于matlab永磁同步电机控制系统建模仿真方法摘要：永磁同步电机是一种高效率、高可靠性的电机，被广泛应用于各种工业和商业领域。

为了实现永磁同步电机的精确控制，需要建立一个完备的控制系统，通过控制系统对电机进行控制。

本文基于matlab平台，介绍了永磁同步电机控制系统的建模方法和仿真方法，帮助读者深入了解永磁同步电机控制系统的原理和实现方法。

关键词：永磁同步电机；控制系统；建模；仿真正文：一、永磁同步电机的基本原理永磁同步电机是一种特殊的交流电机，其转子上固定有永磁体，因此具有高效率、高功率密度、高转速、高精度控制等优点。

在永磁同步电机的控制系统中，通常采用矢量控制方式，以实现对电机的精确控制。

二、永磁同步电机控制系统的建模方法为了实现对永磁同步电机的精确控制，需要建立一个完备的控制系统。

在matlab平台上，可以使用Simulink工具箱快速构建永磁同步电机的控制系统。

1. 建立电机模型在Simulink中，使用Simscape Electrical工具箱，可以快速建立永磁同步电机的电路模型。

在建立电机模型时，需要设置电机的参数，如电感、电阻、永磁体磁通等。

2. 建立控制系统模型在建立控制系统模型时，需要考虑控制策略、控制器类型、控制器参数等因素。

常用的控制策略包括速度环控制、电流环控制、位置环控制等。

在控制器类型方面，常用的控制器包括PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。

其中，PID控制器是最常用的控制器类型之一，具有简单易用、性能稳定等优点。

3. 建立仿真模型在建立仿真模型时，需要将电机模型和控制系统模型进行连接，并设置仿真参数，如仿真时间、仿真步长等。

通过仿真模型，可以对永磁同步电机控制系统进行性能分析、控制策略优化等。

三、永磁同步电机控制系统的仿真方法在建立永磁同步电机控制系统的仿真模型后，可以通过仿真方法对电机的性能进行分析和优化。

1. 性能分析通过仿真模型，可以分析电机的速度响应、转矩响应、电流响应等性能指标。

采用MATLAB/Simulink对永磁同步电机进行模型仿
真和调速研究
1.引言
 随着高性能永磁材料、大规模集成电路和电力电子技术的发展，永磁同步电机因为其功率密度高，体积小，功率因数和高效率而得到发展，且引起了国内外研究学者的关注。

传统的控制方式由于引入了位置传感器而给当前的调速系统带来了一系列的问题：占据了比较大的有效空间，使系统编程复杂。

因此无位置传感器控制系统的研究变得越发的重要。

2.PMSM的坐标系和数学模型
 永磁同步电机在定子三相（ABC）静止坐标系下的电压方程：
 式中，三相绕组的相电压瞬时值分别为A u 、B u 、C u ; A i 、B i 、C i 是相电流的瞬时值；s R 是永磁同步电机定子的每相绕组电阻； A ψ、B ψ、C ψ是永磁体的磁链在各相绕组的投影。

在d-q旋转坐标系下的电磁转矩方程为：
3.SIMULINK仿真。

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。