伺服系统Matlab仿真教学

基于永磁同步电机伺服系统的控制算法和仿真分析南京工业大学运动控制研究所，83306120第一章绪论1.1引言位置环永磁同步电动机伺服系统转速环电流环1.2交流伺服控制策略的现状开环恒压频比控制矢量控制理论交流伺服控制策略直接转矩控制滑模变结构控制自适应控制1.3课题的提出与本人的工作本人针对该课题主要完成了以下几个方面的工作:(1)熟悉伺服电机的结构特点、永磁同步电机的等效电路、伺服电机的模型(2)理解矢量控制原理、直接转矩控制等交流电机的控制方法(3)研究并分析MATLAB中关于永磁同步电动机的DEMO(4)运用工程整定方法对电动机进行电流环和转速环参数的设计(5)在MATLAB仿真软件下实现永磁同步伺服电机的矢量控制仿真(6)对仿真结果进行分析第二章永磁同步电动机的数学模型及仿真策略2.1永磁同步电机伺服系统矢量控制策略分析(1)控制(2)力矩电流比最大控制永磁同步电机电流控制策略(3)控制(4)恒磁链控制0di1cos2.2PMSM解耦状态方程为了得到永磁同步电动机的数学模型,首先对电动机作如下假设:•(l)忽略铁心饱和;•(2)忽略电机绕组漏感;•(3)转子上没有阻尼绕组；•(4)永磁材料的电导率为零；•(5)不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的；•(6)定子相绕组的感应电动势波型为正弦型的，定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。当永磁同步电机转子为圆筒形〔Ld＝Lq＝L〕，摩擦系数B＝0，得d、q坐标系上永磁同步电机的状态方程为：式中，——绕组等效电阻（）;Ld——等效d轴电感（H）;Lq——等效q轴电感（H）；——极对数；——转子角速度（rad/s）;——转子磁场的等效磁链（Wb）;TL——负载转矩（Nm）；id——d轴电流(A)；iq——q轴电流（A）;J——转动惯量（kg·m2）JTLuLuiiJpLpLRppLRii///0/230//0/LqdrqdfnfnrnrnrqdRnprf为获得线性状态方程，通常采用id≡0的矢量控制方式，此时有：上式为永磁同步电机的解耦状态方程。在零初始条件下，对永磁同步电动机解藕状态方程求拉氏变换，以电压为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电动机系统框图（图2-1），其中为转矩系数。JTLuiJpLpLRir//0/23//Lqrqfnfnqqufnc23pK图2-1交流永磁同步电动机系统框图以此为基础构成的速度、电流双闭环系统永磁同步电机电动机调速系统如图2-2所示：图2-2永磁同步电机驱动系统框图第三章PMSM伺服系统设计3.1引言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和速度环构成的双环调节系统，各环节性能的最优化是整个伺服系统高性能的基础。电流环是PMSM位置伺服系统中的一个重要环节，它是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。速度环它的作用是增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。根据第二章阐述的矢量控制方式，可以给出在这种控制方式下PMSM矢量控制系统原理图，如图3-1所示。图3-1PMSM矢量控制系统原理图3.2PMSM伺服系统电流环设计在本课题中PMSM伺服系统的电流环为一电流随动系统，在任意情况下快速跟踪电流给定。按照调节器的工程设计方法，电流调节器选为PI调节器时电流环在零到额定转速均能够实时跟踪电流给定，在给定与实际电流间有很小的相位差，并随着转速的增加而增加，实际电流幅值与给定相等。PMSM伺服系统电流环的控制结构框图如图3-2所示。图3-2电流环动态结构图由图3-2通过结构图等效变换，并且暂时不考虑电流调节器中微分环节和限幅环节，可以得到电流环开环传递函数为：)1()1)(1()1()(cfivmcfipvisTssTsTKsKKKsG则电流环的传递函数为:降阶后的电流环传递函数为：表1PMSM仿真参数cfipvcfivmcfipvBi)1()1()1)(1()1()(KsKKKsTssTsTKsKKKsG11111)(piiiBsKsKKKsG额定功率W电机永磁磁通Wb极对数额定相电流A转动惯量kg.m24000.16722.53.6×10-4额定转速rpm额定相电压V定子电感mH粘滞摩擦系数kgm2/s30001060.2530选择小惯性环节参数;;在本系统中要求超调量,因此可取阻尼比则。于是可以求得，代入数值即可求得电流环调节器的比例放大倍数；积分时间常数为30iKmsT025.0iRLT/mi%5%707.0＝TK21TKKKiip22pKms12i3.3PMSM伺服系统速度环设计PMSM位置伺服系统电流环节可以等效成一个一阶惯性环节。选择速度环调节器为PI调节器，其传递函数为，、分别为速度环调节器的放大倍数和积分时间常数，如图3-3所示。图3-3采用PI控制的速度环动态结构框图)11()(ssASRsTKsGsKsT根据图3-5，可以得出速度环的开环传递函数为：由上式可知，转速环可以按典型的II型系统来设计。定义变量为频宽，根据典型II型系统设计参数公式：当h=5时的调节时间为最短,转矩系数把相应的数据代入即可求得;)11()1()(s2cssSsKTJsKTKsGhKhT1sKKJhhK/21csANmpK/501.023fnc86.0sKmsT25.0s第四章PMSM伺服系统的仿真实现与分析4.1永磁同步电机开环仿真根据表1的数据和图2-1可得到系统方框图4-1所示。图4-1永磁同步电动机开环的仿真结构图00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50200400600800100012001400图4-2PMSM开环转速仿真图4.2永磁同步电机闭环仿真在PMSM伺服系统中，利用PWM技术将电流环调节器输出的电压指令信号转变为三相PWM信号，以驱动逆变器，从而控制电机三相定子电流，实现电机电流跟踪指令电流。在本课题中，PWM技术采用三角载波比较跟踪控制方式，即SPWM方式。首先应用MATLAB/Simulink与电气传动仿真的电气系统模块库Powerlib建立模拟SPWM方式逆变器的控制模块如图4-3所示。图4-3SPWM方式逆变器的控制模块图4-3PMSM电流、转速双闭环控制系统仿真原理结构框图4.3伺服系统仿真分析4.3.1伺服系统性能指标（1）调速范围D稳态性能指标（2）静差率s（一）跟随性能指标:延迟时间、上升时间、峰值时间、动态性能指标超调量、调节时间、振荡次数N（二）抗扰性能指标：最大动态速降、恢复时间dtrtptpst%mntf4.3.2伺服系统仿真方案表2伺服系统无扰动下仿真方案mNmNqimqimqim空载负载（7）过载（22）工程设计参数（P=0.86，I=0.25）图4-16图4-17图4-22图4-23图4-28图4-29经验参数（P=10，I=2）图4-18图4-19图4-24图4-25图4-30图4-31典型参数（P=5,I=1）图4-20图4-21图4-26图4-27图4-32图4-33表3伺服系统在空载启动时的抗扰动仿真方案mNmN负载扰动（7）过载扰动（22）工程整定参数（P=0.86，I=0.25）图4-34图4-37经验参数（P=10，I=2）图4-35图4-38典型参数（P=5,I=1）图4-36图4-394.3.3伺服系统仿真分析00.010.020.03-50510152000.0050.010.0150.020.0250.03-15-10-505101520图4-13工程设计参数下的转矩图4-14经验参数下的转矩输出仿真图（P=0.86，I=0.25）输出仿真图（P=10，I=2）eTeT00.0050.010.0150.020.0250.03-10-505101520图4-15典型参数下的转矩输出仿真图（P=5,I=1）eT00.0050.010.0150.020.0250.03-1001020304000.0050.010.0150.020.0250.030200400600800图4-16工程设计参数下的q轴电流图4-17工程设计参数下的转子（P=0.86，I=0.25）转速（P=0.86，I=0.25）qim图4-18经验参数下的q轴电流图4-19经验参数下的转子转速（P=10，I=2）（P=10，I=2）qim00.0050.010.0150.020.0250.03-30-20-1001020304000.0050.010.0150.020.0250.030200400600800图4-20典型参数下的q轴电流图4-21典型参数下的转子速度（P=5,I=1）（P=5,I=1）qim00.0050.010.0150.020.0250.03-20-1001020304000.0050.010.0150.020.0250.030200400600800图4-16工程设计参数下空载的q轴图4-17工程设计参数下空载的电流（P=0.86，I=0.25）转子速度（P=0.86，I=0.25）qim00.0050.010.0150.020.0250.03-1001020304000.0050.010.0150.020.0250.030200400600800图4-22工程设计参数下带负载7图4-23工程设计参数下带负载7启动时的q轴电流（P=0.86，I=0.25）启动时的转子速度（P=0.86，I=0.25）mNmNqim00.0050.010.0150.020.0250.030510152025303500.0050.010.0150.020.0250.03-1000100200300400500600700图4-28工程设计参数下带过载22图4-29工程设计参数下带过载22启动时的q轴电流（P=0.86，I=0.25）启动时的转子速度（P=0.86，I=0.25）mNmNqim00.0050.010.0150.020.0250.03051015202530354000.0050.010.0150.020.0250.03-1200-1000-800-600-400-2000图4-34工程设计参数下突加负载7图4-37工程设计参数下突加过载22时的转子速度（P=0.86，I=0.25）时的转子速度（P=0.86，I=0.25）mNmNmm00.0050.010.0150.020.0250.03010020030040050060070080000.0050.010.0150.020.0250.030100200300400500600700800图4-35经验参数下突加负载7图4-38经验参数下突加过载22时的转子速度（P=10，I=2）时的转子速度（P=10，I=2）mNmNmm00.0050.010.0150.020.0250.03010020030040050060070080000.0050.010.0150.020.0250.030100200300400500600700800图4-36典型参数下突加负载7图4-39典型参数下突加过载22时的转子速度（P=5,I=1）时的转子速度（P=5,I=1）mNmNmm00.0050.010.0150.020.0250.03010020030040050060070080000.0050.010.0150.020.0250.030100200300400500600700800第五章结论与展望•在此次设计中，本人主要使用了工程设计方法，仿真结果也证明了该方法是一种比较好的PID参数整定方法。不过，本人在随后的调试过程中，也发现了如果对参数进行一定的变