单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基于永磁同步电机伺服系统的控制算法和仿真分析,南京工业大学运动控制研究所,025-83587369，83306120,第一章 绪 论,1.1,引言,位置环,永磁同步电动机伺服系统 转速环,电流环,1.2,交流伺服控制策略的现状,开环恒压频比控制,矢量控制理论,交流伺服控制策略,直接转矩控制,滑模变结构控制,自适应控制,1.3,课题的提出与本人的工作,本人针对该课题主要完成了以下几个方面的工作,:,熟悉伺服电机的结构特点、永磁同步电机的等效电路、伺服电机的模型,理解矢量控制原理、直接转矩控制等交流电机的控制方法,研究并分析,MATLAB,中关于永磁同步电动机的,DEMO,运用工程整定方法对电动机进行电流环和转速环参数的设计,在,MATLAB,仿真软件下实现永磁同步伺服电机的矢量控制仿真,对仿真结果进行分析,第二章 永磁同步电动机的数学模型及仿真策略,2.1,永磁同步电机伺服系统矢量控制策略分析,(1),控制,(2),力矩电流比最大控制,永磁同步电机电流控制策略,(3),控制,(4),恒磁链控制,2.2,PMSM,解耦状态方程,为了得到永磁同步电动机的数学模型,首先,对电动机作如下假设,:,(l),忽略铁心饱和,;,(2),忽略电机绕组漏感,;,(3),转子上没有阻尼绕组；,(4),永磁材料的电导率为零；,(5),不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的；,(6),定子相绕组的感应电动势波型为正弦型的，定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。,当永磁同步电机转子为圆筒形,Ld,Lq,L,，摩擦系数,B,0,，得,d,、,q,坐标系上永磁同步电机的状态方程为：,式中，,绕组等效电阻（）,;,L,d,等效,d,轴电感（,H,）,;,L,q,等效,q,轴电感（,H,）；,极对数；,转子角速,度（,rad,/s,）,;,转子磁场的等效磁链（,Wb,）,;T,L,负,载转矩（,Nm,）；,i,d,d,轴电流,(A),；,i,q,q,轴电流（,A,）,;,J,转动惯量（,kgm2,）,为获得线性状态方程，通常采用,i,d,0,的矢量,控制方式，此时有：,上式为永磁同步电机的解耦状态方程。在零初始条件下，对永磁同步电动机解藕状态方程求拉氏变换，以 电压为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电动机系统框图（图,2-1,），其中 为转矩系数。,图,2-1,交流永磁同步电动机系统框图,以此为基础构成的速度、电流双闭环系统永磁同步电机电动机调速系统如图,2-2,所示：,图,2-2,永磁同步电机驱动系统框图,第三章,PMSM,伺服系统设计,3.1,引言,PMSM,矢量控制最终归结为对电机定转子电流的控制。矢量控制的,PMSM,伺服系统一般由电流环和速度环构成的双环调节系统，各环节性能的最优化是整个伺服系统高性能的基础。电流环是,PMSM,位置伺服系统中的一个重要环节，它是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。速度环它的作用是增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。根据第二章阐述的矢量控制方式，可以给出在这种控制方式下,PMSM,矢量控制系统原理图，如图,3-1,所示。,图,3-1,PMSM,矢量控制系统原理图,3.2,PMSM,伺服系统电流环设计,在本课题中,PMSM,伺服系统的电流环为一电流随动系统，在任意情况下快速跟踪电流给定。按照调节器的工程设计方法，电流调节器选为,PI,调节器时电流环在零到额定转速均能够实时跟踪电流给定，在给定与实际电流间有很小的相位差，并随着转速的增加而增加，实际电流幅值与给定相等。,PMSM,伺服系统电流环的控制结构框图如图,3-2,所示。,图,3-2,电流环动态结构图,由图,3-2,通过结构图等效变换，并且暂时不考虑电流调节器中微分环节和限幅环节，可以得到电流环开环传递函数为：,则电流环的传递函数为,:,降阶后的电流环传递函数为：,表,1 PMSM,仿真参数,额定功率,W,电机永磁磁通,Wb,极对数,额定相电流,A,转动惯量,kg.m,2,400,0.167,2,2.5,3.610,-4,额定转速,rpm,额定相电压,V,定子电感,mH,粘滞摩擦系数,kg m,2,/s,3000,106,0.25,3,0,选择小惯性环节参数,;,在本系统中要求超调量,因此可取阻尼比,则 。于是可以求得 ，代入数值即可求得,电流环调节器的比例放大倍数,；,积分时间常数,为,3.3 PMSM,伺服系统速度环设计,PMSM,位置伺服系统电流环节可以等效成一个一阶惯,性环节,。,选择速度环调节器为,PI,调节器，其传递函数为,，、,分别为速度环调节器的放大倍,数和积分时间常数，如图,3-3,所示。,图,3-3,采用,PI,控制的速度环动态结构框图,根据图,3-5,，可以得出速度环的开环传递函数为,：,由上式可知，转速环可以按典型的,II,型系统来设计。,定义变量 为频宽，根据典型,II,型系统设计参数公式,：,当,h=5,时的调节时间为最短,转矩系数,把相应的数据代入即可求得,;,第四章,PMSM,伺服系统的仿真实现与分析,4.1,永磁同步电机开环仿真,根据表,1,的数据和图,2-1,可得到系统方框图,4-1,所示。,图,4-1,永磁同步电动机开环的仿真结构图,图,4-2 PMSM,开环转速仿真图,4.2,永磁同步电机闭环仿真,在,PMSM,伺服系统中，利用,PWM,技术将电流环调节器,输出的电压指令信号转变为三相,PWM,信号，以驱动逆变,器，从而控制电机三相定子电流，实现电机电流跟踪指令,电流。在本课题中，,PWM,技术采用三角载波比较跟踪控,制方式，即,SPWM,方式。,首先应用,MATLAB/,Simulink,与电气传动仿真的电气系,统模块库,Powerlib,建立模拟,SPWM,方式逆变器的控制模块,如图,4-3,所示。,图,4-3 SPWM,方式逆变器的控制模块,图,4-3 PMSM,电流、转速双闭环控制系统仿真原理结构框图,4.3 伺服系统仿真分析,4.3.1,伺服系统性能指标,（,1,）,调速范围,D,稳态性能指标,（,2,）,静差率,s,（一）跟随性能指标,:,延迟时间,、,上升时间 、峰值时间 、,动态性能指标,超调量,、,调节时间 、,振荡次数,N,（二）抗扰性能指标：,最大动态速降,、,恢复时间,4.3.2,伺服系统仿真方案,表,2,伺服系统无扰动下仿真方案,空载,负载,（,7,）,过载,（,22,）,工程设计参数（,P=0.86,，,I=0.25,）,图,4-16,图,4-17,图,4-22,图,4-23,图,4-28,图,4-29,经验参数,（,P=10,，,I=2,）,图,4-18,图,4-19,图,4-24,图,4-25,图,4-30,图,4-31,典型参数,（,P=5,I=1,）,图,4-20,图,4-21,图,4-26,图,4-27,图,4-32,图,4-33,表3 伺服系统在空载启动时的抗扰动仿真方案,负载扰动,（7 ）,过载扰动（22 ）,工程整定参数,（,P=0.86,，,I=0.25,）,图,4-34,图,4-37,经验参数,（,P=10,，,I=2,）,图,4-35,图,4-38,典型参数,（,P=5,I=1,）,图,4-36,图,4-39,4.3.3 伺服系统仿真分析,图,4-13,工程设计参数下的转矩,图4-14,经验参数下的转矩,输出,仿真图,（,P=0.86,，,I=0.25,）,输出,仿真图,（,P=10,，,I=2,）,图4-15 典型参数下的转矩 输出仿真图（,P=5,I=1）,图4-16,工程设计参数下的,q,轴电流 图4-17,工程设计参数下的,转子,（,P=0.86,，,I=0.25,）,转速,（,P=0.86,，,I=0.25,）,图4-18,经验参数下的,q,轴电流 图4-19,经验参数下的,转子转速,（,P=10,，,I=2,）,（,P=10,，,I=2,）,图4-20,典型参数下的,q,轴电流 图4-21,典型参数下的,转子速度,（,P=5,I=1,）,（,P=5,I=1,）,图,4-16,工程设计参数下空载的,q,轴 图,4-17,工程设计参数下空载的,电流,（,P=0.86,，,I=0.25,）,转子速度,（,P=0.86,，,I=0.25,）,图4-22 工程设计参数下带负载 7 图4-23 工程设计参数下带负载 7,启动时的,q,轴电流,（,P=0.86,，,I=0.25,）,启动时的转子速度,（,P=0.86,，,I=0.25,）,图4-28 工程设计参数下带过载 22 图4-29 工程设计参数下带过载 22,启动时的,q,轴电流,（,P=0.86,，,I=0.25,）,启动时的转子速度,（,P=0.86,，,I=0.25,）,图,4-34,工程设计参数下突加负载,7,图,4-37,工程设计参数下突加过载,22,时的转子速度,（,P=0.86,，,I=0.25,）,时的转子速度,（,P=0.86,，,I=0.25,）,图,4-35,经验参数下突加负载,7,图,4-38,经验参数下突加过载,22,时的转子速度,（,P=10,，,I=2,）,时的转子速度,（,P=10,，,I=2,）,图,4-36,典型参数下突加负载,7,图,4-39,典型参数下突加过载,22,时的转子速度,（,P=5,I=1,）,时的转子速度,（,P=5,I=1,）,第五章 结论与展望,在此次设计中，本人主要使用了工程设计方法，仿真结果也证明了该方法是一种比较好的,PID,参数整定方法。不过，本人在随后的调试过程中，也发现了如果对参数进行一定的变化，对系统的影响不是很大，不能够很好的使,P,、,I,、,D,很好的配合工作。并且由于时间的关系，本人也没有对永磁同步电动机的位置环和,PWM,变换器做很深入的研究，故还是存在一定的疑问，希望今后能够有机会在这一方面深入的研究一下。,THE END,