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1、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1页/共38页第一章 绪 论 引言 位置环 永磁同步电动机伺服系统 转速环 电流环第2页/共38页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 第3页/共38页 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
2、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(1)对仿真结果进行分析第4页/共38页第二章 永磁同步电动机的数学模型及仿真策略 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 第5页/共38页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
3、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。第6页/共38页 当永磁同步电机转子为圆筒形LdLqL，摩擦系数B0，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（）;Ld等效d轴电感（H）;Lq等效q轴电感（H）；极对数；转子角速 度（rad/srad/s）;转子磁场的等效磁链（WbWb）;TL负 载转矩（Nm）；idd轴电流(A)；iqq轴电流（A）;J转动惯量（kgm2）第7页/共38页 为获得线性状态方程，通常采用id0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
4、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。第8页/共38页图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9页/共38页第三章 PMSM伺服系统设计 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
5、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。第10页/共38页图3-1 PMSM矢量控制系统原理图 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。第11页/共38页 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
6、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：第12页/共38页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仿真参数额定功率额定功率WW电机永磁磁通电机永磁磁通WbWb极对数极对数额定相电流额定相电流A A转动惯量转动惯量kg.mkg.m2 24004000.1670.1672 22.52.53.6103.610-4-4额定转速额定转速rpmrpm额定相电压额定相电压V V定子电感定子电感mHmH粘滞摩擦系数粘滞摩擦系数kg kg mm2 2/s/s300030001061060.250.253 30 0第13页/共38页选择小惯性环节参数 ;在本系统中要求超调量
7、 ,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 为第14页/共38页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 第15页/共38页根据图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16页/
8、共38页第四章 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第17页/共38页图4-2 PMSM开环转速仿真图第18页/共38页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
9、器的控制模块如图4-3所示。第19页/共38页图4-3 SPWM方式逆变器的控制模块第20页/共38页图4-3 PMSM电流、转速双闭环控制系统仿真原理结构框图第21页/共38页4.3 4.3 伺服系统仿真分析 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 第22页/共38页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4-1
10、7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第23页/共38页表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第24页/共38页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（，）输出仿真图
11、（P=10，I=2）第25页/共38页 图4-15 典型参数下的转矩 输出仿真图（P=5,I=1）第26页/共38页图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 （，）转速 （，）第27页/共38页图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）第28页/共38页图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）第29页/共38页 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 （，）转子速度 （，）第30页/共38页 图4-
12、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（，）启动时的转子速度 （，）第31页/共38页图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 （，）启动时的转子速度 （，）第32页/共38页 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 （，）时的转子速度 （，）第33页/共38页 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）第34页/共38页 图4-36 典型参数下
13、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35页/共38页第五章 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。第36页/共38页THE END第37页/共38页感谢您的观看！第38页/共38页