【《伺服电机性能Simulink仿真分析》9600字（论文）】

目录Ⅳ伺服电机性能Simulink仿真分析目录TOC\o"1-3"\h\u4019目录 Ⅲ18871第一章绪论 114594第一节引言 114090第二节舵机的构造及分类 111627第三节舵机的控制器及电机选择 115433第二章伺服电机数学模型 212123第一节伺服电机总体模型 222036第二节线性环节数学模型 21357第三节非线性环节数学模型 3255762.3.1阻力环节 3163702.3.2齿隙环节 420021第四节本章小结 524181第三章虚拟仿真实现 622030第一节无摩擦下仿真模块实现 6107273.1.1各模块的搭建 690543.1.2输出图像 6105313.1.3控制器设计 73530第二节齿隙特性及摩擦力的实现 10226893.2.1滞环（齿隙）特性 10157873.2.2摩擦力特性 1228177第三节本章小结 1428097第四章半实物仿真实现 1528094第一节基本元器件 157051第二节基本电路 15184354.2.1比例放大电路 1590754.2.2积分电路 16100644.2.3微分电路 16284504.2.4绝对值电路 1770714.2.5符号电路 18204154.2.6加法器 1930278第三节线性环节电路实现 19109874.3.1开环环节 193834.3.2加入控制器后 206313第四节非线性环节电路实现 21228244.4.1滞环电路 21168024.4.2非线性条件下输出图像 235765第五节本章小结 232140第五章实际电路实现 2420232第一节线性环节实物搭建 2475215.1.1实际电路开环响应 2498385.1.2实际电路闭环相应 2423915第二节非线性环节实物搭建 2530389第三节本章小结 264617第六章结论与展望 2725770附录 2812380参考文献 30第一章绪论 1第一章绪论第一节引言近年来，随着航空航天事业的不断发展，飞行器的动力学分析以及仿真控制逐渐成为飞行器控制方面的重点。在飞行器设计及分析过程中，飞行器硬件的分析是研究中不可忽视的一部分。舵机是飞机、导弹等飞行器在飞行过程中至关重要的执行机构，在控制飞行器的速度大小、方向、姿态等运动中起着重要作用；总体来说，舵机具有输出功率大、尺寸小、使用简单、维护方便等优点[1-4]，但不同类型的飞行器对舵机的性能需求不尽相同，而不同的舵机的性能却有很大差别。因此，对不同的舵机进行分析[5]很有必要；然而，舵机的价格却十分昂贵、动辄上万元，性能优良的舵机甚至需要数十万的资金才能购买。昂贵的价格限制了人们对舵机的实际动力学特性的分析，特别是对舵机线性特性以及非线性特性的分析；如何能使成本变低又能得到舵机的非线性特性成为亟待解决的问题。第二节舵机的构造及分类笼统地说，舵机主要由以下机构组成[6]：封装外壳、信号转换电路、电路控制系统、减速齿轮机构、直流伺服电机以及位置反馈电位计。外壳将舵机封装起来，不同的封装方式有着不同的作用，良好的可以起到防水等作用；信号转换电路通过脉宽调制将输入的指令信号调整为输入伺服电机的电压信号；电路控制系统则将误差信号进行进一步运算。整个舵机的工作过程大概如下：在输入指令信号后，通过转换电路经过PWM调制，然后将经过PWM输出的电压输入到控制电路，再输出到直流伺服电机，通过减速齿轮机构减速后，经由位置检测元件输出，同时将输出讯号送回给输入端，判断是否已经到达预期位置，形成误差信号。舵机的分类方式多种多样，按照舵机的用途分类，舵机主要可以分为飞行器用、船用、车用以及机器人用舵机。其中，飞行器用舵机要求的指标表现为响应速度快、精度高；船用舵机则需要防水、抗扭矩能力强的舵机；车用舵机要求稳定可靠、使用时间长、对泥泞、潮湿等环境适应能力强等特点；而机器人则需要高精度、高稳定性、小体积、重量轻的舵机，其对负载能力的要求则没有前三者那么高。此外，按照舵机输入指令信号模式可将舵机分为数字舵机和模拟舵机，第二章数学模型3相对于模拟舵机而言，数字舵机的控制电路有着其他的微处理器，比如晶振和微处理器，从而数字舵机的响应更快、精度更高，与此同时，也加大了数字舵机的功耗。第三节舵机的控制器及电机选择控制器是使舵机稳定、准确地输出信号必不可少的装置，控制电路首先将输入的电压信号与位置检测元件检测得到的电压进行比较，获得电压差，当电压差不为零时，则将电压差输入到控制器，电压差经过控制器的变化，再输入到之后的伺服电机等环节，期望减小电压差；当电压差为零时，则无信号输入到控制器，也无信号输出到伺服电机，从而保持输出位置的稳定不变。控制方式分为自动控制和现代控制，前者主要研究输出与输入的关系，后者则时更关注各个状态之间的稳定性。该文主要的控制器主要为经典PID控制器，探究舵机的输出角度位置与指令信号之间的关系，以及齿轮的齿隙、机构的阻力等非线性特性对舵机输出的影响。在PID控制器设计[7]中，通过设置（比例环节增益）、（积分环节增益）与（微分环节增益）的数值，期望实现系统的稳定输出。通常来说，舵机是一个高阶系统，且对舵机而言，齿轮及电机等硬件要求其最好不要产生震荡，这就要求设计出的控制器可以使系统的输出中超调很小甚至没有，因此需要合理的调整各个环节之间的关系。直流伺服电机是大多数舵机所用到的电机，也是该文主要的研究对象。对于直流永磁同步伺服电机（以下称之为伺服电机），在高速运行状态下，其输出主要表现其线性特性，且在正常工作电压、工作环境下，若机构没有问题，其输出通常是稳定的；但在其启动初始时刻或结束时刻，或转速较低的情况下，伺服电机通常表现出强烈的非线性特性。比如，在减速机构中，由转子和定子齿槽间产生的齿槽间距[8-10]会使伺服电机不能平稳运行，影响电机的性能，甚至损害伺服电机；同时，伺服电机的最大静摩擦力[11]和滑动摩擦力之间的跳变会导致电机输出的震荡，损害伺服电机硬件。因此，探究伺服电机的非线性特性很有必要。本文将首先对伺服电机进行数学建模，然后对其进行虚拟仿真和半实物仿真，最后进行反映伺服电机特性的电路[12-13]搭建。第二章伺服电机数学模型分析伺服电机的特性，首先便要了解伺服电机的物理模型和数学模型，本章将分析伺服电机的物理构成，建立伺服电机的系统模型，并进一步分析其特性。第一节伺服电机总体模型飞行器的舵机属于无刷永磁同步电机[14]，以为输入指令信号、为输出位置信号，直流永磁同步电机的数学模型[15]可以写为式(2.1)。(2.1)其中表示舵机输出转速，表示电机输出转速，表示传动装置减速比，代表力矩系数，代表反电动势系数，代表直流电压大小，代表转子转动惯量，代表电枢电流，、分别代表电枢电感、电枢电阻；分别表示为摩擦力矩和外部负载力矩，为伺服电机的非线性环节。此外传动装置中的减速环节，由齿轮啮合时[8]由于重合度所产生的不平稳现象，即齿系间隙的产生，也是伺服电机低速运转下不可忽视的非线性环节。其中参数的数值见附录表1。伺服电机结构图如图2.1所示。--uIyvω --uIyvω--R--R图2.1直流永磁同步伺服电机结构图4第二节线性环节数学模型将阻力环节、齿系间隙等非线性环节忽略后，线性环节数学模型即为：(2.2)将式(2.2)所代表的数学模型转化为微分方程为：(2.3)带入各个变量的实际数值，将微分方程化简为传递函数形式可得：(2.4)第三节非线性环节数学模型2.3.1阻力环节（1）阻力出现原因由于摩擦力矩的影响，特别是最大静摩擦力与滑动摩擦力之间跳变，会导致系统出现低速情况下的爬行现象，甚至输出出现震荡的情况。（2）数学模型摩擦力矩的数学模型如式(2.5)所示。(2.5)其中代表滑动摩擦力，当转轮开始转动时，阻力表现为滑动摩擦力。滑动摩擦力大小与接触面材质、作用在接触面上的法相分力大小有关。当输出转速大小为0时，表现为静摩擦力。静摩擦力随着的增大而增大，5当的值大于滑动摩擦力时，摩擦力突变为最大静摩擦力，其中代表最大静摩擦力超过滑动摩擦力的倍数。①当数值不大于滑动摩擦力时，静摩擦力为。②当数值大于滑动摩擦力时，为最大静摩擦力。（3）负载力矩根据加在伺服电机上的负载计算，本文主要探究空载情况下伺服电机的特性，可认为=0。2.3.2齿隙环节（1）出现原因齿隙主要出现在齿轮传动时。在齿轮啮合过程中，由于齿轮制造过程中必然由一定的误差，齿轮啮合会产生噪声、损耗能量，同时使输出产生轻微震荡。（2）数学模型齿隙特性也称为滞环特性，以简单的输出为单位数值为例，其数学表达式如式(2.6)所示。(2.6)由式(2.6)可知，在滞环情况下的取值与的变化方向有关，如图2.2所示，滞环特性的数学表达式不是一个单值函数，输出的取值大小与相关。在逐渐增加的情况时，当低于同时逐渐增大时，即当>0且<时,为n；当等于，且>0时，为m；若继续增大，保持为m。在减小的情况下，当>,且<0时，为m；当等于，同时<0时，等于n；若继续减小，将保持n。nUhUlmnUhUlm图2.2滞环特性示意图6以上分析针仅对最简单的滞环环节，若上升沿、下降沿为不为跳变的情况或的值存在与线性相关的情况，分析方法与之相似。6滞环特性（间隙）的存在影响着系统的跟踪精度，相当于死区的影响，会导致系统输出出现震荡的形式。第四节本章小结本章首先对直流伺服电机整体模型进行了数学建模，画出了伺服电机的整体结构图。之后，对伺服电机的线性特性进行分析，初步得出了伺服电机可近似为一个三阶系统；最后，对电机的非线性特性进行分析，主要针对伺服电机的齿隙特性和阻力特性，为之后搭建伺服电机非线性特性的电路提供了数学模型。本章为之后在Simulink下以及在Multisim下分析搭建伺服电机系统提供了理论基础。第三章Simulink中仿真7第三章虚拟仿真实现本章将基于Matlab分析建立的数学模型，通过在Simulink下搭建反映各变量之间关系的模块，观察输入输出曲线，在理论上分析伺服电机的特性。第一节无摩擦下仿真模块实现3.1.1各模块的搭建根据式(2.2)所示线性部分数学模型，在Simulink中可搭建伺服电机的模块，如图3.1所示。图3.1Simulink下伺服电机开环环节示意图3.1.2输出图像（1）脉冲响应当输入为单位脉冲函数时，输出为不为零的常数，如图3.2所示；由响应曲线可知，当伺服电机开环系统受到外界干扰后，若不施加其它控制措施，系统将不稳定。（2）阶跃响应当输入为单位阶跃（t=0s时触发阶跃信号）时，输出为斜坡信号，斜率为k=174rad/s。输出响应图像如图3.3所示。8图3.2Simulink开环单位脉冲响应曲线图3.3Simulink开环单位阶跃响应曲线由图3.2和图3.3可知，当无控制器作用于伺服电机系统时，系统不能跟踪输入信号，且输出会发散。因此需要增加控制器来使系统稳定。3.1.3控制器设计由式(2.4)中的传递函数可知，伺服电机系统是一个三阶线性系统。对于此三阶系统，其闭环特征方程为，闭环特征方程的根为：=0，=-153，=-549。因此，对于单位脉冲信号，该伺服电机系统的响应为，由于、均小于零，其对应的模态造成的响应最终对系统无影响，因此系统响应为。因此，可初步认为9此系统不稳定。 9事实上，所对应的系数为，其远远小于与前的常系数，若将三次项系数忽略，则可将系统近似为二阶系统，且该二阶系统的特征方程根为=0，=-120；同样，可判断伺服电机系统不稳定。因此，若无控制器、反馈等环节的引入，并不能仅仅依靠伺服电机自身来达到指令输出。为了使系统能够跟踪输入，选用经典PID控制器；同时加入反馈控制，从而将输出信号与输入信号进行比较，得到误差信号后输入控制器。加入控制器后系统如图3.4所示。令控制器为：，其中分别为比例增益、积分增益和微分增益。其中，比例控制用于加快反应速度，减小稳态误差[7]，但是一般会使系统相角裕度减小，稳定性降低；积分控制通过对误差信号的积分，可以减小稳态误差，但加入积分控制会给系统带来一个开环-90°的极点，相当于增加了一个滞后的相角，会使系统稳定性降低，甚至导致系统发散；微分控制可以加快响应速度，缩短响应时间，但可能会引起系统输出震荡加剧。图3.4Simulink下加入控制器后电机模型（1）加入比例环节当=4.034、=0、=0时，此时，相当于无阻尼情况，此时系统输出呈现等幅振荡情况，响应曲线如图3.5（a）所示。当>4.034,=0、=0时,系统输出发散，响应曲线如图3.5（b）所示。 10当<4.034,=0、=0时，系统收敛，响应曲线如图3.5（c）所示。a.系统输出等幅振荡b.系统输出发散c.系统输出收敛图3.5不同比例增益系数下开环系统的响应曲线由图3.5可看出，当只引入比例控制时，系统输出可以达到收敛效果，但系 11统超调量过大，对应伺服电机动作激烈，考虑到伺服电机动作过于激烈会对电机本身固件有伤害，因此需要加入积分控制和微分控制，使系统响应曲线更加平滑，从而改善系统性能。（2）加入微分和积分环节取=1.9、=1.6、=0.05。输入为单位阶跃时（t=1s触发阶跃信号）， 12 系统响应曲线如图3.6所示：超调量为2.1%，调节时间为0.08s；满足伺服电机稳定运行条件。图3.6=1.9、=1.6、=0.05时的响应曲线第二节齿隙特性及摩擦力的实现本小节将在系统线性环节稳定的情况下，加入非线性环节，模拟出伺服电机的非线性特性。其中PID各个参数取图3.6中的参数。3.2.1滞环（齿隙）特性（1）backlash环节替换用backlash环节替代滞环特性时，当死区宽度设置为0.3时：输入信号为单位阶跃时，响应曲线如图3.7所示。图3.7系统在backlash的死区宽度为0.3时响应曲线增大比例环节，齿隙特性更加明显；当=3.9时，响应曲线如图3.8所示。 13 图3.8系统在backlash下比例增益为3.9时的响应曲线（2）relay环节替换当用relay环节代替滞环特性时，将relay环节参数设置为：此时relay环节的输入输出关系如图3.8所示（横轴为输入，纵轴为输出）。由图3.8可发现，输入与输出不是单纯的线性关系，与正反向相关。图3.8relay环节的输入-输出关系将relay环节加入电机的线性系统中后，当输入信号为单位阶跃函数时，响应曲线如图3.9所示，输出在0.999-1.001小范围内震荡，出现极限环现象。图3.9系统加入relay环节后的单位阶跃响应 14 3.2.2摩擦力特性摩擦力环节可以由数学模型式(2.5)可得。式中的符号函数可由绝对值函数、选择器以及比例环节搭建；条件判断语句可由选择器搭建。具体模块如图3.10所示。3.10Simulink下摩擦力环节模块图将3.10所示环节加入伺服电机的线性系统后，当输入为单位阶跃信号时（t=1s时触发阶跃信号），输出摩擦力的响应曲线如图3.11所示；系统输出稳定后，输出位置图像如图3.12所示。可见，最终系统输出存在震荡。可见，由于最大静摩擦力和滑动摩擦力之间的跳变，摩擦力有着较大震荡，摩擦力在-180N-+180N之间震荡。3.11闭环系统输出的摩擦力图像 15 3.12在摩擦力下输出位置与输入信号之间的关系第三节本章小结本章在Simulnk下分析及实现了伺服电机的线性特性和非线性特性。首先，在Simulink下搭建了伺服电机的开环模型，经观察发现其在单位阶跃输入下响应发散且有静差，因此要加入控制器使其稳定；在加入PID控制器后，该系统实现了稳定输出，且响应速度较快。此外，在实现线性稳定输出的前提下，加入了滞环环节和阻力环节，加入非线性特性后，系统输出结果出现震荡，说明电机的齿隙特性和阻力特性被表示了出来。本章为后续搭建虚拟电路提供了总体思路。第四章Multisim中仿真 16 第四章半实物仿真实现本章将在Multisim下进行搭建反映伺服电机性质的电路仿真实验。第一节基本元器件主要采用芯片为LM358N，此芯片内部频率补偿高、增益大，输入范围广，且价格低。芯片引脚图如图4.1所示。、为工作电压，一般=+15V/+12V，=-15V/-12V。双电源供电时，输出电压范围不超过和。图4.1LM358N芯片的引脚图对运算放大电路来说，当运算放大器工作在线性区域时，其输入电压口处于虚短、虚断状态[12,13]。虚短即两个输入端口电位相等，虚断即两个输入端口电流几乎为零。第二节基本电路4.2.1比例放大电路比例放大电路用于将输入电压成比例放大或缩小，其电路图如图4.2所示。此时根据运算放大器的虚短可知：==0；根据节点电流定律,有式(4.1)。(4.1)图4.2比例放大电路 17 4.2.2积分电路积分电路可将在一段时间内的输入电压进行积分运算，其电路图如图4.3所示，根据运算放大器的输入端虚短可知：==0，则有式(4.2)。(4.2)图4.3积分电路4.2.3微分电路微分电路将输入信号进行求导运算，其电路图如图4.4所示，由运算放大器虚短可知：==0；则可推出式(4.3)。(4.3)图4.4微分电路 18 4.2.4绝对值电路 18 绝对值电路[16]作用是将输入端口的电压通过一系列的转化输出成为正值，是电路设计中经常用到的中间环节，其电路图如图4.5所示。 19 图4.5绝对值电路当输入电压<0时，经由运算放大器输出>0，二极管D1导通，>0，、、以及第一个运放的负向输入端之间构成回路，则<0。第二个运算放大器作为反相器将反向放大后输出正向电压。当输入电压>0时，经由放大器输出<0，二极管D1截止，D2导通，=0,<0。经第二个运算放大器反向输出为正向电压。以输入正弦信号为例，经过绝对值电路后，其输出信号如图4.6所示。4.6经绝对值电路变化后的正弦信号4.2.5符号电路符号电路即仅取输入电压的正负号。该电路的输出电压的幅值为单位值，输出电压的极性仅与输入电压的正负有关。符号电路可以用一个简单的比较器电路来实现，如图4.7所示。符号电路可用于搭建滞环环节以及摩擦力环节。 20 图4.7符号电路（比较器电路）在第一级运放电路中，当>时，输出高电平，当<时，输出低电平。输出的高低电平电压大小取决于和以及运放放大器本身的参数。第二级运放的作用是将输出的幅值调整为1V。以输入正弦信号为例，经过符号电路后，其输出信号如图4.8所示。图4.8经过符号电路变化后的正弦信号4.2.6加法器加法器即将输入电压相加，实现控制系统结构图中的比较点的作用。电路图如图4.9所示。与4.2比例放大电路相似，加法器是将两个信号同时输入到负向端口，信号同时放大相同倍数后输出，其数学表达式如式(4.4)所示。加法器可以用于反馈环节的设计。（4.4） 21 图4.9加法器电路第三节线性环节电路实现4.3.1开环环节按照图3.1所示Simulink下模块，搭建如图4.10所示电路。在没有控制器的作用下，考虑到运放工作电压、放大倍数及输出电压最大值的约束，令输入信号为mV的方波（阶跃）信号，输出图像如图4.11所示；此时系统输出呈发散状态，为斜坡信号，且数量级为V；因为积分环节的非零初始条件，输出不从0V开始，存在静差。图4.10开环状态下电路图 22 图4.11方波信号下响应曲线4.3.2加入控制器控制器及反馈电路如图4.12所示，其中反馈回路、比例积分微分控制器之间通过加法器实现。图4.12PID控制器及反馈回路的电路图与Simulink理想状态下的控制器参数取值不同，取=4、=10、=0.1，此时输出图像如图4.13所示，可以稳定跟踪阶跃信号。图4.13加入控制器后的输入-输出曲线 23 第四节非线性环节电路实现4.4.1滞环电路（1）小信号输入滞环特性可由绝对值电路与符号函数电路组合而成[17]，此类滞环电路图可以在输入电压为毫伏情况下实现。滞环特性可由式4.1表示，其中为高低电平的数值，为输出高低电平的幅值，即。电路图如图4.14所示，其中A部分表示，可通过微分电路和符号函数电路搭建；B部分则通过加法器和比例放大电路实现。(4.1)ABAB图4.14滞环电路通过调节可调节的值，调节可调节输出幅值。不同的、取值对应的滞环特性不同，如图4.15所示。a=0.1,=0.1时滞环特性b=0.1,=0.01时滞环特性图4.15不同、下的滞环特性 24 （2）大信号输入当输入量数量级在V及以上，可以设计如图4.16所示滞环电路[18]。通过比较V1、V2电压大小，由稳压二极管输出恒值电压，从而实现滞环特性。图4.16利用稳压二极管实现滞环效应（3）压电陶瓷压电陶瓷材料具有滞环特性[19]，可利用压电陶瓷材料驱动器实现滞环效应。4.4.2非线性条件下输出图像将滞环电路加入线性环节后，当输入阶跃（方波）函数时，取=0.05、=0.1，可看到较明显的极限环现象，此时输出误差较大，如图4.17（a）所示。当=0.01、=0.1时，此时极限环现象仍然存在，但误差相对较小，如图4.17（b）所示。由此可见，对伺服电机而言，若设计合理，增大齿轮等设备的精密程度，从而减小间隙滞环。a=0.05，=0.1时系统响应b=0.01，=0.1时系统响应图4.17滞环参数对输出的影响第五节本章小结本章进入了搭建模拟出电机动态性能电路的阶段。首先，本章介绍了主要运用到的芯片以及运算放大器的基本原理。其次，介绍了几个基本的工作电路，如 24 加法电路，积分电路，微分电路等。之后，根据第三章中在Simulink下的模型，搭建出了线性条件下的电路，输出图像表明伺服电机的线性特性基本被表达了出来。最后，通过绝对值电路与符号函数电路实现了齿隙特性的电路，输出图像可看出极限环现象，同时，可分析出齿轮间隙越小，滞环中的值越小，伺服电机系统产生的震荡也就越小，对电机的稳定运行起着重要的作用。本章内容是第五章搭建实际电路的仿真阶段，在仿真阶段结束后，开始进行第五章的工作。 23 第五章实际电路实现 25 第五章实际电路实现本章在实物条件下搭建电路，其中黄色曲线代表输入指令信号，蓝色曲线代表输出信号。由于小信号输入下噪声干扰较为严重，因此信号出现较多的毛刺。为了便于观察输出与输入之间的关系，设置示波器输出信号为反向。第一节线性环节实物搭建5.1.1实际电路开环响应开环情况下，由于电容芯片等元器件的作用，电路系统存在静差，且输出不稳定。响应曲线如图5.1所示，由响应曲线可知，对于方波信号而言，开环电路系统输出发散，静差大约为820mV。图5.1开环情况下方波输入下的系统响应5.1.2实际电路闭环响应加入控制器后，将PID参数设置与4.12相同，将输入电压设置为方波信号。当输入电压分别为10mV，50mV，100mV时，响应曲线分别如图5.2（a）、（b）、（c）所示。 26 a输入电压10mVb输入电压50mV 26 c输入电压100mV图5.2加入控制器后系统响应 27 第二节非线性环节实物搭建搭建如图4.14所示电路图。对于滞环环节，由分析可知，a和b的值不相同时，响应曲线中极限环的幅值以及频率也不同。将滞环电路加入稳定后的线性电路后，分别取a=0.01、b=0.1，a=0.1、b=0.1，a=1、b=0.1，响应曲线分别如图5.3（a）、（b）、（c）所示。当a=0.01、b=1，a=0.01、b=0.1时，响应曲线分别如图5.4（a）、（b）所示。aa=0.01、b=0.1ba=0.1、b=0.1ca=1、b=0.1图5.3固定b后，变化a的值响应曲线aa=0.01、b=1ba=0.01、b=0.1图5.4固定a后，变化b的值响应曲线第三节本章小结本章将第四章的仿真环节进行了实物搭建，探究了仿真环节与实际设计的区 26 别。首先，在开环状态下搭建电路，通过输入方波电压、观察输出响应曲线可知，由于电容极性、工作电压、芯片等原因导致系统存在静差；在加入PID控制器后，系统响应可以跟踪输入信号。此外，通过搭建滞环电路，实现了伺服电机的非线性特性，且探究了滞环宽度和峰值对非线性特性的影响。第六章结论与展望 28 第六章结论与展望本文通过对伺服电机进行数学建模、仿真，分析了永磁同步电机的线性特性以及非线性特性，特别分析了伺服电机非线性特性中由于齿隙特性所导致的类滞环现象和由于最大静摩擦力与滑动摩擦力之间突变导致的震荡。此外，在Simulink下搭建了伺服电机的模块，实现了伺服电机的开环状态下发散状态下的输出；通过对伺服电机系统增加比例、积分以及微分控制器，解决了伺服电机系统开环状态下的不稳定情况，同时分析了不同的PID参数对系统线性条件运行下稳定性、准确性以及快速性的影响，选取了兼顾三大特性的PID参数；在加入非线性特性后，响应实现了伺服电机经典的极限环现象。之后，在Multisim下搭建了伺服电机以及PID控制器在Simulink下的仿真模型，通过运行仿真电路，与理想情况下即Simulink下仿真图像进行比较，分析了在半实物情况与理想特性的不同，重新选定了合适的PID参数。最终，进行模拟伺服电机电路的实际搭建，实现了直流永磁同步伺服电机的虚拟电路的搭建，并初步分析了直流永磁同步电机的非线性特性。本文的创新点在于：1.运用模拟元器件搭建了反映伺服电机动态品质特性的电路，为在弱电环境下分析伺服电机特性提供了一种方法。2.通过滞环特性模拟出了伺服电机的齿隙现象，为分析伺服电机的非线性特性提供了条件。本文主要分析了伺服电机非线性特性中的齿隙特性，初步分析了摩擦力特性，但距离完全模拟出伺服电机的非线性特性还有很多工作要做：1.用电路模拟出伺服电机的摩擦力特性，并分析如何使最大静摩擦力与滑动摩擦力的跳变对电机动态性能影响最小及探究伺服电机的死区特性对其动态性能的影响。2.将伺服电机运行过程中交变电流产生的磁场对永磁体的影响考虑到非线性特性中，研究磁场变化对伺服电机工作性能的影响。3.运用混沌特性分析方法，对伺服电机的非线性特性进一步分析，并提出具体的减小非线性特性的方法。附录 29 附录参考文献物理量数值(单位)L0.72mHR0.50511OΩ0.077760.07776570.2375J0.0001表1永磁同步伺服电机中各物理量 30

参考文献[1]黄璐,文军,姜杰.电动舵机系统建模与仿真研究.自动化与仪器表,2020(12):237-239[2]ApteAA,JoshiVA,WalambeRA,GodboleAA.SpeedcontrolofPMSMusingdisturban-ceobserver.IFACPapersOnLine,2016,49(1):308-313[3]AgrawalJ,BodkheS.ExperimentalstudyoflowspeedsensorlesscontrolofPMSMdriveusinghighfrequencysignalinjection.AdvancesinElec