现代数字伺服系统及应用实验报告

《现代数字伺服系统及应用》
姓 名： 学 号： 专 业： 学 院： 指导教师：
2017 年 6 月
现代数字伺服系统及应用实验报告
一、实验目的
通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的位置控制器设计与 系统调试方法。
二、实验内容及结果
1. 系统理论分析 （ 1） 永 磁电动机 永磁同步电动机（PMSM）是由电励磁三相同步电动机发展而 来。它用永磁体代替了电 励磁系统，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，而定子与电励磁三相同步电动机基本相同， 所以称为永磁同步电动机。 （ 2） 矢 量控制 在永磁同步电动机的控制方法中，目前矢量控制方案是使用最广泛的。矢量控制的基本 思想是模拟直流电机的控制方法，将磁链与转矩通过坐标转换，进行解耦，形成以转子磁链 定向的两相参考坐标系，这样就可以将交流电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调 速系统的静、动态性能。矢量控制的优点是能精确地实现转速控制并具有良好的转矩响应。 但是矢量控制的前提是获得转子磁场的准确位置，通常情况下通过安装转子位置传感器来获 得转子磁场的准确位置。 对永磁电动机的矢量 控制方式通常 分为两种，一 种是电压控制 （S VPWM）， 另一种是 电流滞环控制(HCC)。本系统采用的是电流滞环控制。电流滞环控制的目的是使三相定子电 流严格跟踪给定电流信号。为了获得平稳的转矩，定子各相电流应是互相平衡、随转子位置 正弦变化的。常规的电流滞环控制是将给定电流信号与实际检测的逆变器输出电流信号相比 较，若实际电流值较大，调节逆变器开关状态使之减小；若实际电 流值较小，调节逆变器开 关状态使之增大。 在本系统中，位置信号指令与检测到的转子位置相比较，经过位置控制器的调整，输出 速度指令信号，速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度调节器的调节，输出 控制转矩的电流分量 iq，电流分量信号 iq 经过坐标变换输出后，与电机实际电流分量 iabc 比较，再经 PWM 逆变器，输出三相电压，驱动电机工作。 2. 伺服系统实验 如 图 2.1 为 基 于 MATLAB/SimPowerSystems 的 PMSM 电 机 模 型 搭 建 伺 服 系 统 （Matlab2014a）；
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图 3.3 系统输入、输出曲线
图 3.4 系统误差曲线
最终系统稳态误差为 0.16，满足要求。 （3）正弦信号输入：幅值 60，频率 2 rad/s 要求：稳态最大误差 < ±0.5。
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图 4.17 系统输入、输出曲线
图 4.18 系统误差曲线
从上面的图可以看出，当延迟环节的延迟时间增加到 0.05ms 时，正弦和斜坡的影响不
大，但是阶跃信号产生轻微的振荡。但是当延迟环节的延迟时间增加到 0.1ms 时，阶跃信
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图 4.7 系统输入、输出曲线
（2）斜坡信号：
图 4.8 系统误差曲线
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图 3.1 系统输入、输出曲线
图 3.2 系统误差曲线
从图 3.1 中可以看出，系统调节时间为 0.1s，超调量为 0.095%，从图 3.2 可以看出，系 统稳态误差约为 0.17，均满足要求。
（2）斜坡信号输入：斜率 100 要求：稳态误差 < ±0.2；
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图 2.1 三相永磁同步电机矢量控制仿真框图
三相永磁同步电机矢量控制仿真框图如图 2.1 所示。图中第一个 PID 控制器是位置环 PI 控制器，图中第二个 PID 控制器为速度环 PI 控制器，根据电机实际速度及给定速度来确 定电流转矩分量；PWM 模块采用电流滞环控制(如图 2.2)，使电机实际电流跟随给定电流变 化，具体实现如图 2.3；模块 dq2abc 实现 2r／3s 变换，具体实现如图 2.4，其中函数模块 Fcn、 Fcnl 和 Fcn2 一起实现 2r／3s 变换；PMSM 模块为 MATLAB 提供了永磁同步电机模型，它 的参数设置如图 2.5。
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图 4.11 系统输入、输出曲线
当去掉延迟环节后： （1） 阶跃信号：
图 4.12 系统误差曲线
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在本系统调试 PID 控制器时，主要 PI 控制器 通过试凑法将速度环和位置环的 PI 参数进行整定。 首先确定速度环控制器 PID 参数。先确定下速度环控制器 PID 参数，不再改动。通过 仿真，当位置环控制器的 P 值较大时，无论怎么调节位置环的 P 参数，总是无法同时满足 3 个输入信号的性能要求，当正弦信号满足要求时，阶跃输出信号总会有很大的振荡，导致系 统超调量过大，系统不稳定。积分作用 I 较大时，阶跃信号的调节时间过大，超调量也增大，
（1）比例作用 P：比例作用将加快系统的响应，减小误差。它能快速影响系统的控制 输出值，但仅靠比例系数的作用，系统不能很好地稳定在一个理想的数值，其结果是虽较能 有效地克服扰动的影响，但有稳态误差出现。过大的比例系数还会使系统出现较大的超调并
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产生振荡，使稳定性变差。 （2）积分作用 I：积分作用是消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误
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（2） 斜坡信号
图 4.13 系统输入、输出曲线
图 4.14 系统误差曲线
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参考文献
[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M ]．机械工业出版社，2006 [2] 胡寿松.自动控制原理（第四版）[M ].科学出版社,2001. [3] 李伟光, 郭忺, 侯跃恩. 永磁同步电动机 SVP WM 和电流滞环控制仿真分析[J]. 现代制造工程, 2014(5). [4] 廖金国, 花为, 程明,等. 一种永磁同步电机变占空比电流滞环控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(18):4762-4770. [5] 逄玉俊, 柏松, 马向哲. 永磁同步电机的电流滞环控制研究[J]. 科技信息, 2008(30):444-44
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图 4.15 系统输入、输出曲线
（3） 正弦信号
图 4.16 系统误差曲线
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图 4.5 系统输入、输出曲线
当延迟环节取 0.1ms 时 （1）阶跃信号:
图 4.6 系统误差曲线
（2）斜坡信号：
图 4.2 系统误差曲线
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图 4.3 系统输入、输出曲线
（3）正弦信号：
仿 真 结 果如下：
（1）阶跃信号输入：幅值 200 要求：调节时间 < 0.2s，稳态误差 < 0.2，σ% < 1；
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号产生严重的振荡。加入延迟环节后，会造成系统的不稳定，延迟时间越大，稳定性就越差。
五、控制器作用学习心得
PID 控制器由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过 Kp， Ki 和 Kd 三 个参数的设定。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计 算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
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系统产生振荡。在实际调试过程中，当出现稳态误差时，先调节参数 P，但是 P 不能过大， 在 1~3 比较合适，再大阶跃输出信号就会完全不稳定。确定好 P 后，不再改动。再慢慢调 节积分参数 I，进一步消除误差。通过多次试凑，确定了速度环的 PI 参数为 P=2.2，I=0.8， 位置环的 PI 参数为 P=2.3，I=0.9。
差修整，消除稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统为有差系统。为 了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti， Ti 越小，积分作用就越强。但是积分作用过大，也会引起系统振荡，超调量过大，调节时 间也会变大。
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图 3.5 系统输入、输出曲线
图 3.6 系统误差曲线
从图 3.6 可以看出，系统误差为 0.68，当系统满足阶跃信号全部要求时，正弦信号的稳 态误差总是大于 0.5。把位置环 PID 控制器的 P 参数调至 3.5 满足正弦信号稳态误差小于 0.5， 但是阶跃输出信号会产生严重的振荡。
（3）微分作用 D：微分具有超前作用，对于具有滞后的控制系统，引入微分控制，在 微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有着显著效果，它可以使系统超 调 量减小，稳定性增加，动态误差减小。在微分控制中 ，控制器的输出与输入误差信号的微分 (即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过 程中可能会出现振荡甚至 失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后的被控对象，具有抑制误差的作用，其变化 总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。微分项能预测误差变化的趋势，从而做到提前使抑制误差的控 制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，改善了系统在调节过程中的动 态特性。微分作用不能单独使用，需要与另外两种单元相结合，组成 PD 或 PID 控制器。
图 2.2 电流滞环控制模块
图 2.3 PWM inverter 模块
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图 2.4 dq2abc 实现 2r／3s 变换模块
3. 控 制 方式选定及仿真结果分析
图 2.5 PM SM 模块参数
三、结果分析
PID 控制器由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过 Kp，Ki 和 Kd 三个参 数的设定。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新 的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
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图 4.9 系统输入、输出曲线
（3）正弦信号：
图 4.10 系统误差曲线
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四、延迟环节对系统的影响
在本系统中，将延迟时间增大至 0.05ms。 （1）阶跃信号：
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图 4.1 系统输入输出曲线