永磁同步伺服系统的仿真研究

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时间:2018-09-22

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1、151 引言仿真是系统分析研究的重要手段,通过仿真,可以验证理论分析和设计的正确性,模拟实际系统的运行过程,分析系统特性随参数的变化规律,描述系统的状态与特性,探索设计结果是否满足实际要求,也可讨论系统稳定性,研究系统控制参数、负载变化对系统动态性能的影响,研究控制方法和手段对系统性能的改善与提高。因此,仿真具有和实验相同的作用,并可避免实际实验操作的复杂性,完成无法进行实验系统或过程的仿真模拟。针对伺服系统,影响系统运行的因数很多,如何在纷繁复杂的环境条件中寻找最优的控制参数、采取合适的控制手段,是伺服系统设计与运行中需要深入探讨的问题,这些因数将影响到实际系统的运行及其对环

2、境的适应性。摘 要:探讨了永磁同步伺服系统仿真模型的建立,并在Simulink仿真环境中对伺服系统三闭环进行仿真。分析了伺服系统电流环、速度环、位置环工程设计结果与实际分析结果之间的差别,研究了三闭环的影响因素,以及这些因数变化时为实现优异响应性能各调节器参数调整方法、电流微分负反馈、速度微分负反馈控制策略的引入等。通过调节器参数的调整、微分反馈的引入,伺服系统能够具有优异的响应性能。关键词:永磁同步电机、伺服系统、仿真、微分负反馈  下面,根据实际永磁同步伺服系统构成情况,讨论基于Matlab软件的仿真模型创建,并在Simulink环境中对系统进行仿真,分析其仿真结果,从中找

3、出系统的控制规律,优化系统的控制方法,分析系统的运行特性,以便于系统的设计、调整与运行。2 永磁同步伺服系统仿真模型的建立15图1的伺服系统为典型的电流、速度、位置三环调节系统。系统中各调节器、比较器、滤波器等均可在Simulink相应工具箱中找到;PSB中有永磁同步电机模型,其参数在模型属性中设定;电机电流、电压测量模块在PSB的Measurements工具包中;电机的综合测量模块Machine Measurement Demux可同时测量电机角速度、电枢电流、交直轴电流、电磁力矩、转子位置角;系统的3/2、2/3坐标转换借助于Fcn函数建立;系统中PWM逆变器借助于物理模型

4、建立,将电流调节器输出和三角波比较,形成PWM信号,通过受控电压源输出电机端口三相电压;电流给定和反馈均经过一阶环节滤波,以消除信号中高次谐波,保证系统稳定运行;系统所需各参量通过示波器得到。具体模型建立可参考有关文献[1],由此,构成伺服系统仿真结构见图1。图1 交流永磁同步伺服系统仿真结构图2.1交流永磁同步伺服系统仿真结构的建立图1中,PWM逆变器是伺服系统关键部件,它完成控制信号到电机输入电能的控制。其内部结构见图2。(a)为PWM内部结构,(b)为dq 旋转坐标到abc三相坐标间的转换。15图2 交流永磁同步伺服系统仿真结构图2.2交流永磁同步伺服系统仿真结构的建立图

5、2(a)中,前部将电流给定和反馈进行滤波,送入电流调节器进行调节,输出饱和环节表示调节器设有正反向输出限幅。调节器输出控制信号和三角波比较产生PWM信号,经过受控电压源(逆变器)加至电机端口。逆变器实际运行时,为防止直通短路,上下管开关有控制死区,但在仿真时没有考虑,故这和实际运行情况有差别。图1中,dq/abc 单元表示实现三相坐标和同步旋转坐标间的转换,即实现公式(1),其内部结构见图2(b)。(1)153 伺服系统仿真结果及其分析  3.1电流环的仿真与分析  本系统实现转子磁场定向矢量控制,速度环输出就是转矩电流,表示系统特定负载时对转矩电流的要求。转矩电流经过2/3变

6、换后给出电机三相电流,由电流调节器完成各相电流的无差调节。那么,电流调节器参数对电流动态响应具有决定性的影响。  按照伺服系统的实际连接构成电流环动态仿真拓扑,并对系统运行的各种工况进行仿真。仿真结果表明,电流调节器放大系数越大,电流响应越快,动态过程中电流跟踪的误差越小,但超调越严重;电流调节器零点越大,电流响应越快,但电流响应的振荡次数增多,超调增加。对本系统而言,调节器比例系数在20~30,零点在500~2500时,电流环可满足阶跃跟踪响应要求,调节器参数可在此范围取值。一般来说,电流环按照调节器工程设计方法设计的参数偏于保守。而且,为简便,设计时忽略反电势对电流环的影响

7、,其结果是电流跟踪动态响应因反电势的影响而缓慢,偏差较大。若在动态过程中,电机电流不能快速准确跟踪给定,系统便不能得到id=0的解耦控制,因此,需要根据仿真结果对电流调节器参数做适当调整。然而,电流调节器参数在该范围取值时,响应会出现振荡与超调,调节器零点越大超调越严重,这是使用PI调节器并保证电流有较快响应时所出现的必然现象。为抑制响应超调,在电流反馈环中加入微分负反馈。对本系统,当微分反馈控制增益在0.0006~0.001时,电流阶跃响应较好,电流响应速度既快,又无振荡超调,可在实际系统

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