基于Matlab_Simulink的伺服系統(tǒng)仿真

1、90 長江大學(xué)學(xué)報(bào) (自科版) 理工卷 2007 年 12 月第 4 卷第 4 期Journal of Yangtze University ( Nat Sci Edit) Sci & Eng V Dec12007 , Vol14 No14基于 Matlab/ Simul ink 的伺服系統(tǒng)仿真韓皓 , 申祖武 (武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 , 湖北武漢 430070) 摘要 在 Matlab/ Simulink 環(huán)境下 , 設(shè)計(jì)和組合了交流同步伺服電機(jī)、dq 坐標(biāo)系向 abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、三相電源逆變器、位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器各模塊 , 并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了交流同步伺服系統(tǒng)的位置、速度和

2、電流 3 閉環(huán)仿真模型。仿真結(jié)果證明了該控制方法的有效性 , 為交流同步伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞 交流同步伺服電機(jī); 模塊; 仿真; 閉環(huán) 中圖分類號 TP391 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673 1409 (2007) 04 N090 03隨著近年來電力電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展 , 交流伺服系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。為了滿足高性能傳動的需要 , 必須對位置進(jìn)行精確控制。在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的過程中 , 使用 Matlab/Simulink 可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證1, 大大減少系統(tǒng)的開發(fā)周期 1 ; 郝軍等在2 Simulink 環(huán)境下對異步電22機(jī)矢量變頻調(diào)速系

3、統(tǒng)進(jìn)行仿真 2 , 表明 Simulink 可作為電機(jī)仿真中的一種方便、快捷、有效的工具;劉永飄等在 Matlab/ Simulink 下設(shè)計(jì)永磁交流伺服系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行了仿真研究 3 , 驗(yàn)證了該仿真模型的有效性; 楊平等在 Matlab/ Simulink 環(huán)境下構(gòu)建了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型 , 并進(jìn)行了仿真研究 4 。筆者論述了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 給出了電流、速度和位置等調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 , 根據(jù)坐標(biāo)變換公式設(shè)計(jì)了坐標(biāo)變換模塊 , 根據(jù)脈寬調(diào)制 ( PWM) 的原理以及要求設(shè)計(jì)了逆變器模塊 , 提高了系統(tǒng)的控制性能。1 交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型三相交流電

4、動機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。根據(jù)定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁鏈方程 ,電機(jī)的運(yùn)動方程和轉(zhuǎn)矩方程以及一般假定 , 交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的微分方程如下 5 ,6 :在d i+ 5L1np i T5LJd =dU = Ri + Li i = TL +( 1)55d tn p d td t 2式中, U 為電樞電壓; i 為電樞電流; R 為電樞繞組電阻; L 為電樞電感; TL 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;為轉(zhuǎn)速; np 為電機(jī) 極對數(shù); J 為轉(zhuǎn)動慣量; 為角位移。2 基于 Matlab 的交流伺服模型Matlab/ Simulink 環(huán)境下 , 利用 PSB 模塊庫 , 在分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上

5、 , 建立了交流伺服系統(tǒng)仿真模型 , 系統(tǒng)的整體控制框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)采用 3 閉環(huán)控制的方法 , 包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。采用這種 3 閉環(huán)的控制方法 , 可以使系統(tǒng)的控制性能更加優(yōu)異。圖 1 系統(tǒng)整體控制框圖 收稿日期 2007208228 作者簡介 韓皓 (19822) , 男 , 2004 年大學(xué)畢業(yè) , 碩士生 , 現(xiàn)主要從事自動控制與仿真方面的研究工作。第 4 卷第 4 期韓皓等 : 基于 Matlab /Simulink 的伺服系統(tǒng)仿真 91 1) 信號調(diào)節(jié)器 系統(tǒng)中的信號調(diào)節(jié)器包括位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。位置調(diào)節(jié)器是一個比例調(diào)節(jié)器 , 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)

6、器均為比例積分調(diào)節(jié)器。另外 , 在 3 個模塊中均加入了限幅模塊 , 用來限制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。2) dq 向 abc 轉(zhuǎn)換模塊 即 dq 坐標(biāo)系向 abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊 (簡稱為 dq2abc 轉(zhuǎn)換模塊) , 主要根據(jù) 系統(tǒng)反饋的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 , 按照 d2q 變換的反變換公式產(chǎn)生 a2b2c 三相基準(zhǔn)信號 , d2q 變換的反變換公式如下 3 ,4 :co s- sin1iaco s -2- sin -21i dib=33iq( 2)icco s +2- sin +21033式中 ,為系統(tǒng)反饋的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。根據(jù)式 (2)設(shè)計(jì) dq2abc 轉(zhuǎn)換模塊的模型如圖 2 所示。3) 三相電源逆變模塊

7、它根據(jù)矢量控制原理 , 利用滯 環(huán)電流控制方法 , 實(shí)現(xiàn)電流逆變控制。輸入為經(jīng)過 dq2abc轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的三相輸入電流和系統(tǒng)反饋的定子輸出三相電流 , 輸出為逆變器電壓信號 , 系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)如圖 3 。4) 永磁同步電機(jī)模塊 在 Matlab/ Simulink 中 , 提供了圖 2 dq2abc 轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)交直軸磁鏈理論建立的定子組按 Y 型連接的永磁同步電機(jī)模塊。模塊有 4 個輸入端, 前 3 個分別為 A 相、B 相、C 相的 輸入端; 另外一個為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸入端 Tm , 單位為 N m 。當(dāng)Tm 0 時, 為電動機(jī)模式; 當(dāng) Tm 0 時 , 為發(fā)電機(jī)模式。此永 磁電機(jī)的主要

8、參數(shù)包括: 定子電阻 R () ; 交直軸定子電感 L d 、L q ( H) ;轉(zhuǎn)子磁場磁通( Wb) ; 轉(zhuǎn)動慣量 J ( kg m2 ) ; 粘滯 摩擦系數(shù) B (N m s) ; 極對數(shù) P 等 2 。系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)模型的輸出信號為一個混合向圖 3 三相電源逆變模塊量, 需要經(jīng)過 Matlab/ Simulink 中提供的與電機(jī)模塊搭配使用的測量模塊的處理 , 才能輸出可讀的各種信號。該系統(tǒng)中選取的輸出信號包括: 定子三相電流 is _abc 、定子交直軸向電流 is _ qd 、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速m 、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 Te 。系統(tǒng)整體仿真圖如圖 4 所示。系統(tǒng)的3 個反饋信號分別

9、為位置反饋、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋。位置反饋信號為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角,包括兩部分: 反饋與輸入的參考轉(zhuǎn)角比較后輸入位置調(diào)節(jié)器; 反饋到 dq2abc 轉(zhuǎn)換模塊中。速度反饋信號為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速m , 其反饋與位置調(diào)節(jié)器的輸出信號(參考輸入轉(zhuǎn)速) 比較后輸入速度調(diào)節(jié)器。電流反饋信號分為定子三相電流 is _abc 和定子交直軸向電流 is _ qd 兩部分 ,圖 4 系統(tǒng)整體仿真圖定子三相電流 is _ abc 反饋后輸入系統(tǒng)逆變模塊產(chǎn)生 PWM 脈寬波形 , 定子交直軸向電流 is _ qd 反饋與 輸入的參考交直軸相電流比較后輸入 dq2abc 轉(zhuǎn)換模塊。3 仿真分析筆者基于 Matlab/ Simulink

10、建立了交流伺服系統(tǒng)的仿真模型 , 并進(jìn)行了仿真。在 Matlab71 0 系統(tǒng) 中 , 可以直接選擇預(yù)設(shè)的電機(jī)模型 , 該系統(tǒng)選取的電機(jī)模型主要參數(shù)為: 定子電阻 R = 21 8750; 交直92 長江大學(xué)學(xué)報(bào) (自科版) 理工卷2007 年 12 月軸定子電感 L d = L q = 85 10 - 3 H ;轉(zhuǎn)子磁場磁通= 0 175Wb ; 轉(zhuǎn)動慣量 J = 0810 - 3 kg m2 ;粘滯摩擦系數(shù) B = 0N m s ;極對數(shù) P = 4 。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的控制性能, 選取系統(tǒng)在 t = 0時刻, 加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm = 2N m , 系統(tǒng)給定的電機(jī)的轉(zhuǎn)角為 20, 限定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

11、為 500r/ min 。可以得到如圖 5 所示的定子 三相輸出電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩。由圖 5 可以看出 , 電機(jī)在啟動時定子三相電流變化較大 , 啟動后馬上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) , 同時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也稍稍變化后穩(wěn)定到500r/ min , 同樣定子的輸出轉(zhuǎn)矩也有較大變化后穩(wěn)定在 Tm = 2Nm ;當(dāng)轉(zhuǎn)子的111轉(zhuǎn)角逐漸接近20時 , 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也開始穩(wěn)定降低; 當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角達(dá)到 20, 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速完全減為 0 即電機(jī)停止轉(zhuǎn)動; 轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)矩在電機(jī)減速到停止的過程中也有較小的變化。電機(jī)的整個運(yùn)行過程很穩(wěn)定 , 各種變化量均在較低的范圍之內(nèi) , 并且能很迅速地達(dá)到給定的轉(zhuǎn)角。圖 5

12、電機(jī)輸出波形圖4 結(jié) 語Matlab/ Simulink 環(huán)境是一種很好的系統(tǒng)仿真工具軟件 , 筆者設(shè)計(jì)的交流電機(jī)伺服系統(tǒng)仿真模型簡單易用 , 另外還可以根據(jù)實(shí)際情況對參數(shù)進(jìn)行修改。仿真結(jié)果表明 , 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) 1 王愛祥 , 劉日寶1基于 Matlab/ Simulink 的交流伺服系統(tǒng)的仿真 J 電子工程師 , 2006 , 32(2) : 606311 2 郝軍 ,梁正文1111111 111基于 Simulink 的異步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速設(shè)計(jì)與仿真 J 機(jī)電產(chǎn)品開放與控制 ,2006 , 19(4) : 143144 3劉永飄 , 鐘彥儒 ,徐艷平

13、 永磁交流伺服系統(tǒng)矢量控制仿真 J 電氣傳動自動化 ,2006 , 28(1) : 1821 4楊平 ,馬瑞卿 ,張?jiān)瓢?基于 Matlab 的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)建模仿真新方法 J 微電機(jī) ,2005 ,38 (5) : 3841 5爾桂花 , 竇曰軒1運(yùn)動控制系統(tǒng) M 北京: 清華大學(xué)出版社 , 2002 2282331 6, 史文浩交流伺服系統(tǒng)位置控制器的仿真研究 J 1西安理工大學(xué)學(xué)報(bào) , 2002 , 18 (3) : 274劉鴻雁11 1 編輯 易國華result wo uld be endless co mplains f ro m t he occupant s Based o

14、 n simulatio ns using co mp utatio nal flu id dynamics ,t he research team designs a novel lamp/ fan and it is p ro ved t hat energy co uld be saved by12elevating t he indoo r roo m temperat ure while occupant s co uld still feel co mfo rtable2Key words :CFD ;lamp/ fan ; t hermal co mfo rt ; energy

15、saving83 Appl ication of Frequency Controlled Technique in Oilf ield Se wage Water TreatmentKey221CHEN Yong jun Yan gt ze Uni versit y , J i n gz hou 434023 ; H uaz hon g Uni versit y of S cience and Technolog y , W uhan 430073)(WENG Hui hui ( Yan gt ze Uni versit y , J i ngz hou 434023)Abstract : W

16、it h t he develop ment of power elect ric technolo gy and co nt rolling technolo gy ,AC f requen cy co nversio n fo r speed adjust ment technolo gy was used in indust rial moto r driving areas Based o ngeneral f requency co nverter , PL C was used to co nt rol t hesewage t reat ment in an oilfield f

17、 requency2122212co nverterMeanwhile acco rding to t he characteristics of t he co mplexit y and t he p recise mo del t hat ishard to be built in sewage t reat mentsystem , a Co hen Coo n met ho d applied to calculate parameter swas given ,t he result show s t hat it s anti interference is powerf ul

18、and t he met ho d is implemented sim2112122ply wit h a bet ter co nt rol qualit yKey words : PL C ; Inverter ; sewage t reat ment ;Co hen Coo n met ho d86 Studyon Vector Control System ofInduction MotorsHU Qing hua , ZHOU Hao bing X ian S hi y ou Uni versit y , X ian 710049)(LONG Bo X ian J i aoton

19、g Uni versit y , X ian 710049)(Abstract : Aiming at no n linearmo del of multivariable inductio n moto r , t raditio nalPID met ho d washard to achieve satisfacto ry co nt rol effectFuzzy co nt rol can carry o utt he real time co nt rol o n systems wit ho ut accurate mat hematical mo del of inductio

20、 n moto rInductio n moto r vecto r co nt rol system22and t he basic p rinciple of t he f uzzy PID are elabo rated ,t hus to make use of f uzzy reaso ning ,auto mati12cally adjusting t he co nt roller sparameter s Simulatio n result s p rove t hat f uzzy PID co nt roller is supe rio r to t raditio na

21、l PID co nt roller in t he aspect of respo nse speed ,steady state accuracy and dist urbance at tenuatio nKey words : f uzzy co nt rol ;vecto r co nt rol ;adjust ment parameter90 Simulation of Servo System Based on Matlab/ Simul inkHAN Hao , SHEN Zu wu ( W uhan Uni versit y ofTechnolog y , W uhan 43

22、0070)2Abstract : U nder t he enviro nment of Matlab/ Simulink , mo dules designed and co mpo sed fo r AC syn22122chro no us servo moto r ,t he reference f rame of d/ q switch to t he reference f rame of a/ b/ c ,t hree p hasepower inverter ,locatio n regulato r ,speed regulato r ,current regulato rO

23、n t he basis above ,a mo del wasestablished fo r AC synchro no us servosystem wit h t hree clo sed loop s of po sitio n , velocit y and cur211122rentThe result s show t hat t he met ho d is effective ,itp rovides a t heo retical basis fo r t he design of ACsynchro no us servo systemKey words : AC sy

24、nchro no us servo moto r ; mo dule ; simulatio n ;clo sed loop93 eCAN Interface Design and ImplementationCAI Chang xin Yan gt ze Uni versit y , J i n gz hou 434023)(Abstract : TMS320 F2812 ,an advanced and powerf ul 32 bit fixed point mo del ofTMS320C28x serieswere used as it s CPUIt was matched by interface circuit and ot her p rocessing mo dule ,a hardware e1122qu