永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)除電機(jī)外，系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)單元、位置控制系統(tǒng)、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。
1．永磁式交流同步伺服電機(jī)。永磁同步電機(jī)永磁式同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點(diǎn)。和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等需要更多維護(hù)給應(yīng)用帶來(lái)不便的缺點(diǎn)。相對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言則比較簡(jiǎn)單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好，但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小，成本高和起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。與普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
2．驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元采用三相全橋自控整流，三相正弦pwm電壓型逆變器變頻的ac-dc-ac結(jié)構(gòu)。設(shè)有軟啟動(dòng)電路和能耗泄放電路可避免上電時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)電流以及電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(ipm)。
3．控制單元?？刂茊卧钦麄€(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。具有快速的數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如a/d轉(zhuǎn)換器、pwm發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、can總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)ram和大容量的程序存儲(chǔ)器等。
4．位置控制系統(tǒng)。對(duì)于不同的信號(hào)，位置控制系統(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號(hào)有三種形式:位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）以及加速度輸入（拋物線輸入）。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，但其解碼電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。磁編碼器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋控制性價(jià)比較高的器件，還可以依靠磁極變化檢測(cè)位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。
5．接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制i/o接口、串行通信等。伺服單元內(nèi)部及對(duì)外的i/o接口電路中，有許多數(shù)字信號(hào)需要隔離。這些數(shù)字信號(hào)代表的信息不同，更新速度也不同。
圖 永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)
一臺(tái)永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)如圖所示，其中各相繞組的軸線方向也作為各相繞組磁鏈的正方向，電流的正方向也標(biāo)在圖中，可以看出定子各相的正值電流產(chǎn)生各相的負(fù)值磁鏈，而定子繞組的電壓正方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)慣例。在建立數(shù)學(xué)模型之前做如下的假設(shè)：忽略鐵心飽和；不計(jì)渦流和磁滯損耗；轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；永磁材料的電導(dǎo)率為0；相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形是正弦波。根據(jù)以上的假設(shè)和一系列的推導(dǎo)可得到永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下。
定子電壓方程：
(1)
(2)
定子磁連方程：
(3)
(4)
將方程（3）和（4）代入到方程（1）和（2），得到如下方程：
(5)
(6)
將（5）-（6）合并得到如下方程：
(7)
將（7）方程變化成適合在matlab/simulink環(huán)境下能搭建模型的方程，即。
(8)
以上式子中：p-微分算子，rs-電驅(qū)繞組電阻，ωr-轉(zhuǎn)子角速度，ψf-永磁體產(chǎn)生的磁鏈，是常數(shù)，ld，la是d，q線圈的自感。
電磁轉(zhuǎn)矩方程： (9)
電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為： (10)
電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度方程： (11)
而式子中的p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；te為電磁轉(zhuǎn)矩；tl 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；b為阻尼系數(shù)。