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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2

Simulink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 1

n p i T

5 L J dωω

=

dθ

U = Ri + L i i = T L + ( 1)

5 5

d t n p d t d t

θ 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 θ

1

a

co s θ- 2 π - sin θ-

2 π 1 d

b

= 3 3 q ( 2)

i c co s θ+ 2

π - sin θ+

2 π 1 0

3

3

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 L

d

、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 2

abc 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