2024年4月6日发(作者：塞冰洁)
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永磁同步电动机的矢量控制
1 绪论
1.1 电气伺服系统发展现状和动向
自从上个世纪60年代，电气伺服系统取代了大部分的电液伺服传动系统成
为伺服系统的主要形式。按驱动装置的执行电动机类型来分,通常分为直流(DC)
伺服系统和交流 (AC)伺服系统。直流伺服系统发展早,70年代已经实用化,在各
类机电一体化产品量使用各种结构的DC伺服电动机。
直流伺服系统控制简单,灵活实现正反转,调速围宽,稳定性高,响应速度快，
无超调,定位精度和跟踪精度高。但是直流伺服系统也有难以克服的缺点;直流电
动机转子绕组的发热大，影响与其相连接的丝杠精度;采用机械换向会产生电火
花,直流伺服系统难以工作在易燃、易爆的工作场合;高速运行和大容量设计受到
机械换相器的限制;电刷和换向器易磨损,日常维护工作量大;结构复杂，制造困
难,成本高等。机械换向器的存在是造成以上问题的主要原因。
交流电机没有机械换向器，克服了直流电机的缺点。进入20世纪80年代后,
功率电子器件和微电子技术水平得到迅速提高,基于先进控制理论、电力电子器
件和微处理器的发展,交流伺服控制技术日趋成熟。交流伺服系统以其体积小,
转动惯量最小,耐高速,可频繁起制动,过载能力强,瞬时输出转矩大,对环境适应
性强,运行可靠性高，无需维护等特点而广泛适用于CNC和工业机器人等工业领
域。到了90年代,交流伺服系统己经在许多场合取代了直流伺服系统，某些性能
甚至超过了直流伺服系统，从而出现了取代直流伺服系统成为电气伺服系统主体
的趋势。
目前国外交流伺服系统研究正向着数字化、智能化、网络化、绿色化的方向
发展：高性能和全数字化伺服系统是当代交流伺服系统发展的趋势，这种系统被
广泛应用在高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中。由于微
电子技术的发展,微处理器的运算速度不断提高,功能不断增强，特别在电机控制
专用DSP芯片出现后，全数字伺服系统在实现电流控制、速度控制和位置控制全
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部数字化的同时,极大的增强了伺服系统设计和使用的灵活性。
伺服系统智能化一方面体现在系统具有很强的状态自诊断、故障保护和信息
显示功能；另一方面,在控制策略上除常规PID控制外,开始转向应用现代控制理
论和智能控制,各种高性能的智能控制器可实现伺服系统参数自检测和控制器参
数在线自整定功能等。智能功率模块(IPM)被广泛采用,逆变器实现高频化、小型
化和无噪音。伺服系统具有完善的通讯功能,在独立完成伺服控制同时保持与上
位机的联系,实时接收控制指令和报告系统当前工作状况。伺服系统通讯功能的
实现和提高进一步完善了高级别、分布式的工业控制、管理网络的功能。光电编
码器等传感器的分辨率大幅度提高,可靠性进一步改善,并向多功能一体化的方
向发展。
1.2 交流电动机分类与特点
交流电动机主要有感应异步电动机和同步电动机两大类。异步电动机构造简
单,价格低，维护工作量低,容易实现弱磁调速。缺点是转子散热困难，转子电阻
受温度影响变化大，影响矢量控制性能。在交流伺服系统发展初期,异步电动机
交流伺服系统得到较快的发展,主要应用于机床的主轴传动。
同步电动机以转速与电源频率严格保持同步而著称,极对数保持不变,只要
电源频率保持恒定,同步电动机转速就保持不变,当负载转矩加到同步电动机轴
上时,在极短时间建立起相应的拖动转矩,以维持电动机的稳定运行。同步电动机
变频调速系统从控制方式上可分为他控式变频和自控式变频调速方式。其中，他
控式变频调速系统存在失步、振荡等问题,在实际中很少用。现阶段同步电动机
变频调速系统一般采用自控式运行。自控式变频同步电机调速系统按所用的变频
器、电动机的类型与目前的发展趋势可分为三大类:一类是大功率的交一交变频
同步电动机调速系统;二是交一直一交电流型负载换一样步电动机调速系统;另
一类是交一直一交电压型同步电动机调速系统，多用于小容量的永磁同步电动机
控制。
随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,各种交流永磁同步电动机伺
服系统成为交流伺服系统的主流。交流永磁同步电动机根据电动机反电动势的波
形形状可分为正弦波永磁同步电动机(PMSM)和梯形波永磁同步电动机后者,又称
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2024年4月6日发(作者：塞冰洁)
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永磁同步电动机的矢量控制
1 绪论
1.1 电气伺服系统发展现状和动向
自从上个世纪60年代，电气伺服系统取代了大部分的电液伺服传动系统成
为伺服系统的主要形式。按驱动装置的执行电动机类型来分,通常分为直流(DC)
伺服系统和交流 (AC)伺服系统。直流伺服系统发展早,70年代已经实用化,在各
类机电一体化产品量使用各种结构的DC伺服电动机。
直流伺服系统控制简单,灵活实现正反转,调速围宽,稳定性高,响应速度快，
无超调,定位精度和跟踪精度高。但是直流伺服系统也有难以克服的缺点;直流电
动机转子绕组的发热大，影响与其相连接的丝杠精度;采用机械换向会产生电火
花,直流伺服系统难以工作在易燃、易爆的工作场合;高速运行和大容量设计受到
机械换相器的限制;电刷和换向器易磨损,日常维护工作量大;结构复杂，制造困
难,成本高等。机械换向器的存在是造成以上问题的主要原因。
交流电机没有机械换向器，克服了直流电机的缺点。进入20世纪80年代后,
功率电子器件和微电子技术水平得到迅速提高,基于先进控制理论、电力电子器
件和微处理器的发展,交流伺服控制技术日趋成熟。交流伺服系统以其体积小,
转动惯量最小,耐高速,可频繁起制动,过载能力强,瞬时输出转矩大,对环境适应
性强,运行可靠性高，无需维护等特点而广泛适用于CNC和工业机器人等工业领
域。到了90年代,交流伺服系统己经在许多场合取代了直流伺服系统，某些性能
甚至超过了直流伺服系统，从而出现了取代直流伺服系统成为电气伺服系统主体
的趋势。
目前国外交流伺服系统研究正向着数字化、智能化、网络化、绿色化的方向
发展：高性能和全数字化伺服系统是当代交流伺服系统发展的趋势，这种系统被
广泛应用在高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中。由于微
电子技术的发展,微处理器的运算速度不断提高,功能不断增强，特别在电机控制
专用DSP芯片出现后，全数字伺服系统在实现电流控制、速度控制和位置控制全
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部数字化的同时,极大的增强了伺服系统设计和使用的灵活性。
伺服系统智能化一方面体现在系统具有很强的状态自诊断、故障保护和信息
显示功能；另一方面,在控制策略上除常规PID控制外,开始转向应用现代控制理
论和智能控制,各种高性能的智能控制器可实现伺服系统参数自检测和控制器参
数在线自整定功能等。智能功率模块(IPM)被广泛采用,逆变器实现高频化、小型
化和无噪音。伺服系统具有完善的通讯功能,在独立完成伺服控制同时保持与上
位机的联系,实时接收控制指令和报告系统当前工作状况。伺服系统通讯功能的
实现和提高进一步完善了高级别、分布式的工业控制、管理网络的功能。光电编
码器等传感器的分辨率大幅度提高,可靠性进一步改善,并向多功能一体化的方
向发展。
1.2 交流电动机分类与特点
交流电动机主要有感应异步电动机和同步电动机两大类。异步电动机构造简
单,价格低，维护工作量低,容易实现弱磁调速。缺点是转子散热困难，转子电阻
受温度影响变化大，影响矢量控制性能。在交流伺服系统发展初期,异步电动机
交流伺服系统得到较快的发展,主要应用于机床的主轴传动。
同步电动机以转速与电源频率严格保持同步而著称,极对数保持不变,只要
电源频率保持恒定,同步电动机转速就保持不变,当负载转矩加到同步电动机轴
上时,在极短时间建立起相应的拖动转矩,以维持电动机的稳定运行。同步电动机
变频调速系统从控制方式上可分为他控式变频和自控式变频调速方式。其中，他
控式变频调速系统存在失步、振荡等问题,在实际中很少用。现阶段同步电动机
变频调速系统一般采用自控式运行。自控式变频同步电机调速系统按所用的变频
器、电动机的类型与目前的发展趋势可分为三大类:一类是大功率的交一交变频
同步电动机调速系统;二是交一直一交电流型负载换一样步电动机调速系统;另
一类是交一直一交电压型同步电动机调速系统，多用于小容量的永磁同步电动机
控制。
随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低,各种交流永磁同步电动机伺
服系统成为交流伺服系统的主流。交流永磁同步电动机根据电动机反电动势的波
形形状可分为正弦波永磁同步电动机(PMSM)和梯形波永磁同步电动机后者,又称
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