基于Matlab_Simulink的伺服系统仿真

1、90 长江大学学报 (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 的伺服系统仿真韩皓 , 申祖武 (武汉理工大学机电学院 , 湖北武汉 430070) 摘要 在 Matlab/ Simulink 环境下 , 设计和组合了交流同步伺服电机、dq 坐标系向 abc 坐标系转换、三相电源逆变器、位置调节器、速度调节器和电流调节器各模块 , 并在此基础上构建了交流同步伺服系统的位置、速度和

2、电流 3 闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制方法的有效性 , 为交流同步伺服系统的设计提供了理论依据。 关键词 交流同步伺服电机; 模块; 仿真; 闭环 中图分类号 TP391 9 文献标识码 A 文章编号 1673 1409 (2007) 04 N090 03随着近年来电力电子工业和计算机技术的迅速发展 , 交流伺服系统正广泛应用于工业生产的各个领域。为了满足高性能传动的需要 , 必须对位置进行精确控制。在设计伺服系统的过程中 , 使用 Matlab/Simulink 可以对设计方案进行验证1, 大大减少系统的开发周期 1 ; 郝军等在2 Simulink 环境下对异步电22机矢量变频调速系

3、统进行仿真 2 , 表明 Simulink 可作为电机仿真中的一种方便、快捷、有效的工具;刘永飘等在 Matlab/ Simulink 下设计永磁交流伺服系统的仿真模型并进行了仿真研究 3 , 验证了该仿真模型的有效性; 杨平等在 Matlab/ Simulink 环境下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 , 并进行了仿真研究 4 。笔者论述了永磁同步电机伺服系统的设计 , 给出了电流、速度和位置等调节器的设计方法 , 根据坐标变换公式设计了坐标变换模块 , 根据脉宽调制 ( PWM) 的原理以及要求设计了逆变器模块 , 提高了系统的控制性能。1 交流电机的数学模型三相交流电

4、动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。根据定、转子电压方程和磁链方程 ,电机的运动方程和转矩方程以及一般假定 , 交流电机数学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 为电枢电压; i 为电枢电流; R 为电枢绕组电阻; L 为电枢电感; TL 为负载转矩;为转速; np 为电机 极对数; J 为转动惯量; 为角位移。2 基于 Matlab 的交流伺服模型Matlab/ Simulink 环境下 , 利用 PSB 模块库 , 在分析永磁同步电机的数学模型的基础上

5、 , 建立了交流伺服系统仿真模型 , 系统的整体控制框图如图 1 所示。系统采用 3 闭环控制的方法 , 包括位置环、速度环和电流环。采用这种 3 闭环的控制方法 , 可以使系统的控制性能更加优异。图 1 系统整体控制框图 收稿日期 2007208228 作者简介 韩皓 (19822) , 男 , 2004 年大学毕业 , 硕士生 , 现主要从事自动控制与仿真方面的研究工作。第 4 卷第 4 期韩皓等 : 基于 Matlab /Simulink 的伺服系统仿真 91 1) 信号调节器 系统中的信号调节器包括位置调节器、速度调节器和电流调节器。位置调节器是一个比例调节器 , 速度调节器和电流调节

6、器均为比例积分调节器。另外 , 在 3 个模块中均加入了限幅模块 , 用来限制电机的转速和电流。2) dq 向 abc 转换模块 即 dq 坐标系向 abc 坐标系转换模块 (简称为 dq2abc 转换模块) , 主要根据 系统反馈的转子转角 , 按照 d2q 变换的反变换公式产生 a2b2c 三相基准信号 , d2q 变换的反变换公式如下 3 ,4 :co s- sin1iaco s -2- sin -21i dib=33iq( 2)icco s +2- sin +21033式中 ,为系统反馈的转子转角。根据式 (2)设计 dq2abc 转换模块的模型如图 2 所示。3) 三相电源逆变模块

7、它根据矢量控制原理 , 利用滞 环电流控制方法 , 实现电流逆变控制。输入为经过 dq2abc转换模块转换后的三相输入电流和系统反馈的定子输出三相电流 , 输出为逆变器电压信号 , 系统模块的结构如图 3 。4) 永磁同步电机模块 在 Matlab/ Simulink 中 , 提供了图 2 dq2abc 转换模块根据交直轴磁链理论建立的定子组按 Y 型连接的永磁同步电机模块。模块有 4 个输入端, 前 3 个分别为 A 相、B 相、C 相的 输入端; 另外一个为系统的转矩输入端 Tm , 单位为 N m 。当Tm 0 时, 为电动机模式; 当 Tm 0 时 , 为发电机模式。此永 磁电机的主要

8、参数包括: 定子电阻 R () ; 交直轴定子电感 L d 、L q ( H) ;转子磁场磁通( Wb) ; 转动惯量 J ( kg m2 ) ; 粘滞 摩擦系数 B (N m s) ; 极对数 P 等 2 。系统中的永磁同步电机模型的输出信号为一个混合向图 3 三相电源逆变模块量, 需要经过 Matlab/ Simulink 中提供的与电机模块搭配使用的测量模块的处理 , 才能输出可读的各种信号。该系统中选取的输出信号包括: 定子三相电流 is _abc 、定子交直轴向电流 is _ qd 、转子转速m 、转子转角、电机输出转矩 Te 。系统整体仿真图如图 4 所示。系统的3 个反馈信号分别

9、为位置反馈、转速反馈和电流反馈。位置反馈信号为转子转角,包括两部分: 反馈与输入的参考转角比较后输入位置调节器; 反馈到 dq2abc 转换模块中。速度反馈信号为转子的转速m , 其反馈与位置调节器的输出信号(参考输入转速) 比较后输入速度调节器。电流反馈信号分为定子三相电流 is _abc 和定子交直轴向电流 is _ qd 两部分 ,图 4 系统整体仿真图定子三相电流 is _ abc 反馈后输入系统逆变模块产生 PWM 脉宽波形 , 定子交直轴向电流 is _ qd 反馈与 输入的参考交直轴相电流比较后输入 dq2abc 转换模块。3 仿真分析笔者基于 Matlab/ Simulink

10、建立了交流伺服系统的仿真模型 , 并进行了仿真。在 Matlab71 0 系统 中 , 可以直接选择预设的电机模型 , 该系统选取的电机模型主要参数为: 定子电阻 R = 21 8750; 交直92 长江大学学报 (自科版) 理工卷2007 年 12 月轴定子电感 L d = L q = 85 10 - 3 H ;转子磁场磁通= 0 175Wb ; 转动惯量 J = 0810 - 3 kg m2 ;粘滞摩擦系数 B = 0N m s ;极对数 P = 4 。为了验证系统的控制性能, 选取系统在 t = 0时刻, 加入负载转矩Tm = 2N m , 系统给定的电机的转角为 20, 限定转子的转速

11、为 500r/ min 。可以得到如图 5 所示的定子 三相输出电流、转子转速、转子转角和转子输出转矩。由图 5 可以看出 , 电机在启动时定子三相电流变化较大 , 启动后马上达到稳定状态 , 同时转子的转速也稍稍变化后稳定到500r/ min , 同样定子的输出转矩也有较大变化后稳定在 Tm = 2Nm ;当转子的111转角逐渐接近20时 , 转子的转速也开始稳定降低; 当转子的转角达到 20, 转子的转速完全减为 0 即电机停止转动; 转子的输出转矩在电机减速到停止的过程中也有较小的变化。电机的整个运行过程很稳定 , 各种变化量均在较低的范围之内 , 并且能很迅速地达到给定的转角。图 5

12、电机输出波形图4 结 语Matlab/ Simulink 环境是一种很好的系统仿真工具软件 , 笔者设计的交流电机伺服系统仿真模型简单易用 , 另外还可以根据实际情况对参数进行修改。仿真结果表明 , 该系统可以实现高效的伺服系统设计。 参考文献 1 王爱祥 , 刘日宝1基于 Matlab/ Simulink 的交流伺服系统的仿真 J 电子工程师 , 2006 , 32(2) : 606311 2 郝军 ,梁正文1111111 111基于 Simulink 的异步电动机矢量控制变频调速设计与仿真 J 机电产品开放与控制 ,2006 , 19(4) : 143144 3刘永飘 , 钟彦儒 ,徐艳平

13、 永磁交流伺服系统矢量控制仿真 J 电气传动自动化 ,2006 , 28(1) : 1821 4杨平 ,马瑞卿 ,张云安 基于 Matlab 的永磁同步电机控制系统建模仿真新方法 J 微电机 ,2005 ,38 (5) : 3841 5尔桂花 , 窦曰轩1运动控制系统 M 北京: 清华大学出版社 , 2002 2282331 6, 史文浩交流伺服系统位置控制器的仿真研究 J 1西安理工大学学报 , 2002 , 18 (3) : 274刘鸿雁11 1 编辑 易国华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