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1、342007年10月中国制造业信息化第36卷第19期基于Matlab的数控交流伺服系统的仿真研究1,21,21,2赵涛,朱晓春,陈桂(11南京工程学院自动化学院,江苏南京211167)(21南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室,江苏南京210013)摘要:为实现高性能的伺服控制,针对基于矢量控制的PMSM伺服系统的速度调节和控制进行了分析。利用Matlab平台构建了PMSM矢量控制仿真模型,根据数控伺服系统的性能要求,对不同插补方式下的速度控制进行了仿真研究,结果证明了该系统模型的有效性。关键词:伺服;永磁同步电动机;矢量控制;插补;仿真中图分类号:TP273文献
2、标识码:A文章编号:1672-1616(2007)19-0034-04伺服系统是数控机床的重要组成部分之一,主控制领域得到了广泛的应用。以PMSM及其驱动要功用是接受来自数控系统CNC的指令信息,控器为执行部件的位置伺服控制是数控机床、机器人制执行部件的运动方向、进给速度与位移量,以便[3,4]等运动控制产品的核心技术之一。加工出符合要求的零件。伺服系统的动态响应和在数控机床中要实现高精度的控制,要求伺服伺服精度是影响数控机床加工精度、表面质量和生系统以适合机床性能的最佳进给速度进行插冲加产率的主要因素,因此数控机床的速度和精度等技工,在多个程序段内平滑的加减速及按照指令形状
3、术指标在很大程度上由伺服系统的性能所决定。控制进给速度,同时在加工拐角时会产生机械冲伺服系统性能主要体现在稳态跟踪误差、动态响应击,通过加减速控制,可以减缓机械冲击。因此速的精确性和快速性及对系统参数变化和随机干扰度调节和控制是PMSM位置伺服系统中的一个重的鲁棒性等几个方面。伺服系统要获得高性能和要环节,它是提高伺服系统控制精度和响应速度、高精度,主要是通过提高执行机构、测量装置的精改善控制性能的关键。本文利用Matlab软件对度和性能,或者是选择先进的控制策略来达到PMSM位置伺服系统速度调节和控制进行了研[1,2]的。究。目前在小型和经济型数控机床上还使用步进电机,中高
4、档数控机床大多采用直流伺服电机和交1PMSM伺服系统矢量控制方案流伺服电机,而高精度数控机床已采用交流数字伺服系统,伺服电机的位置、速度等都已实现了数字1.1PMSM伺服系统数组成化,并采用了新的控制理论,实现了不受机械负荷PMSM伺服系统主要由功率驱动、位置控制、[2]变动影响的高速响应伺服系统。如FANUC公速度调节和控制、PMSM及检测反馈单元等部分[5]司在其16i/18i/21i系列产品中采用高响应矢量控组成,系统组成如图1所示。制(HighResponseVector,简称HRV),实现了数控机床的高速、高精度和高效率。交流伺服系统按驱动电机的类型,主要可分为永磁
5、同步和感应异步两种交流伺服系统,其中由于基于正弦波的永磁同步电动机(PMSM)具有功率密度大、效率高、转子损耗小等优点,具备了十分优良的低速特性和很宽的调速范围,符合高性能伺服驱动的要求,在运动图1数控机床交流伺服系统收稿日期:2007-08-30基金项目:江苏省高校自然科学基础研究项目(06KJB46004);先进数控技术江苏省高校重点实验室开放基金项目(KXJ06119)作者简介:赵涛(1965-),男,江苏南京人,南京工程学院副教授,工学博士,主要研究方向为电力电子与电力传动。#数控技术与数控机床#赵涛朱晓春陈桂基于Matlab的数控交流伺服系,,35速度调节和控制包括
6、电流环和速度环,属于内dXrTe=TL+BXr+J(3)环,电流环的作用是提高系统的快速性,抑制电流dt环内部干扰,限制最大电流,电流调节器输出控制式(1)~(3)中:R为绕组等效电阻;Ld为d轴等效信号送入脉冲形成、分配和驱动环节,控制开关管电感;Lq为q轴等效电感;np为极对数;Xr为转子通断时间,调节PWM变换器控制的电动机输出。角速度;7f为永磁体产生的磁链;Te为电磁转矩;PMSM位置伺服系统要求电流环具有输出电流谐TL为负载转矩;B为阻尼系数;J为电机的转动惯波分量小、响应速度快等性能,因此PMSM位置伺量;ud,id,uq,iq分别为d,q轴电压和电流。服系统的
7、电流环必须满足内环控制所需要的控制1.3PMSM矢量控制策略响应速度,能精确控制随转速变化的交流电流频PMSM的定子电流d轴分量id相当于励磁电率。利用空间矢量调制技术和较为复杂的电流控流,由于伺服系统具有快速动态响应的要求,伺服制策略,并在电流控制器中引入预测控制的方法,电机几乎总是工作在最大转矩/电流特性上,所以可以提高电流环的特性。速度调节的作用是增强通常不采用弱磁工作方式,而采用id=0的矢量控系统抗负载扰动的能力,抑制速度波动。速度环中制方式。在id=0的控制方式下,不管PMSM的转速度调节器
