·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2Simulink环境下对异步电22机矢量变频调速系统进行仿真[ 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+ ω5 L 1n p i T5 L J dωω=dθU = Ri + L i i = T L + ( 1)5 5d t n p d t d tθ 2 θ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; T L为负载转矩;ω为转速; n p为电机极对数; J为转动惯量;θ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 , 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 dq 2abc 转换模块) , 主要根据 系统反馈的转子转角 , 按照 d 2q 变换的反变换公式产生 a 2b 2c 三相基准信号 , d 2q 变换的反变换公式如下[ 3 ,4 ] :co s θ - sin θ1aco s θ- 2 π - sin θ-2 π 1 db= 3 3 q ( 2)i c co s θ+ 2π - sin θ+2 π 1 033式中 ,θ为系统反馈的转子转角。

根据式 (2) 设计 dq 2abc 转换模块的模型如图 2 所示。

3) 三相电源逆变模块 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 dq 2abc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 dq 2abc 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 T m , 单位为 N ·m 。

当T m > 0 时, 为电动机模式; 当 T m < 0 时 , 为发电机模式。

此永磁电机的主要参数包括: 定子电阻 R (Ω) ; 交直轴定子电感 Ld、L q ( H) ;转子磁场磁通λ( Wb) ; 转动惯量 J ( kg ·m 2 ) ; 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ωm 、转子转角θ、电机输出转矩 T e 。

系统整体仿真图如图 4 所示。

系统的 3 个反馈信号分别为位置反馈、转速反馈和电流反馈。

位置反馈信号为转子转角θ, 包括两部分: ①反馈与输入的参考转角 比较后输入位置调节器; ②反馈到 dq 2abc 转换模块中。

速度反馈信号为转子的转速ωm , 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 dq 2abc 转换模块。

3 仿真分析笔者基于Matlab/ Simulink建立了交流伺服系统的仿真模型,并进行了仿真。

在Matlab710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 =218750Ω;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 = 8 5 ×10 - 3 H ;转子磁场磁通λ= 0 175Wb ; 转动惯量 J = 0 8 ×10 - 3 kg ·m 2 ;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T m = 2N ·m , 系统给定的电机的转角为 20°, 限定转子的转速为 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 T m = 2Nm ;当转子的11 1 · 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 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) : 60～631 1[ 2 ] 郝军 , 梁正文 1 1 11111 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) : 143～144[ 3 ] 刘永飘 , 钟彦儒 , 徐艳平 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) : 18～21[ 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) : 38～41[ 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 228～2331[ 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 1 1～1[ 编辑] 易国华result wo uld be endless co mplains f ro m t he occupant s Based o 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 by1 2elevating t he indoo r roo m temperat ure while occupant s co uld still feel co mfo rtable 2Key words :CFD ;lamp/ fan ; t hermal co mfo rt ; energy saving83 Appl ication of Frequency Controlled Technique in Oilf ield Se wage Water TreatmentKey221)(WENG Hui hui ( Yan gt ze Uni versit y , J i ngz hou 434023)Abstract : Wit 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 n general f requency co nverter , PL C was used to co nt rol t he sewage t reat ment in an oilfield f requency 2 1 2 2 2 1 2co nverter Meanwhile acco rding to t he characteristics of t he co mplexit y and t he p recise mo del t hat is hard to be built in sewage t reat ment system , 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 and t he met ho d is implemented sim 2112122ply 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 of Induction MotorsHU Qing hua , ZHOU Hao bing X i ’an S hi y ou Uni versit y , X i ’an 710049)(LONG Bo X i ’an J i aoton g Uni versit y , X i ’an 710049)(Abstract : Aiming at no n linear mo del of multivariable inductio n moto r , t raditio nal PID met ho d was hard to achieve satisfacto ry co nt rol effect Fuzzy co nt rol can carry o ut t he real time co nt rol o n systems wit ho ut accurate mat hematical mo del of inductio n moto r Inductio n moto r vecto r co nt rol system2 2and 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 s ’parameter s Simulatio n result s p rove t hat f uzzy PID co nt roller is supe rio r to t raditio nal 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 430070)2Abstract : U nder t he enviro nment of Matlab/ Simulink , mo dules designed and co mpo sed fo r AC syn22 122chro 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 hase power inverter ,locatio n regulato r ,speed regulato r ,current regulato r On t he basis above ,a mo del was established fo r AC synchro no us servo system wit h t hree clo sed loop s of po sitio n , velocit y and cur 21112 2rent The 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 AC synchro no us servo systemKey words : AC synchro no us servo moto r ; mo dule ; simulatio n ;clo sed loop 93 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 of TMS320C28x serieswere used as it s CPU It was matched by interface circuit and ot her p rocessing mo dule ,a hardware e112 2quip ment wit h t he DSP was designed ,t hro ugh p ro gramming DSP eCAN ,it realized under multi piece DSP CAN signal t ransmissio n and receiving By using C and assemble language under DSP co mpiled enviro nment CCS2 0 ,it realized t he mailbo x arrangement ,and co mpleted t he DSP eCAN interface re search 1 A s t he co mmunicatio n in t he 1Mbp s sit uatio n , It has no wro ng co de ,and has high reliabilit y 1words : DSP ;eCAN ;interface 105 Technologic Improvement of Main Stirring Tube Body in HZS Concrete Batching PlantTANG J un ( S ichuan En gi neeri n g Technical Colle ge , Dey ang 618000)Abstract : Main stirring t ube bo dy of H ZS Co ncrete Batching Plant p revio usly used t he technolo gy ofwhole welding ,alignment by taut wire and t urn 2aro und bo ring ,which co uld hardly meet t he design ·Ⅵ·。