永磁同步伺服系统的仿真研究

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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