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·90·长江大学学报(自科版)理工卷2007年12月第4卷第4期JournalofYangtzeUniversity(NatSciEdit)Sci&EngVDec12007,Vol14No14基于Matlab/Simulink的伺服系统仿真韩皓,申祖武(武汉理工大学机电学院,湖北武汉430070)[摘要]在Matlab/Simulink环境下,设计和组合了交流同步伺服电机、dq坐标系向abc坐标系转换、三相电源逆变器、位置调节器、速度调节器和电流调节器各模块,并在此基础上构建了交流同步伺服系统的位置、速度和电流3闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制方法的有效性,为交流同步伺服系统的设计提供了理论依据。[关键词]交流同步伺服电机;模块;仿真;闭环[中图分类号]TP3919[文献标识码]A[文章编号]16731409(2007)04N09003随着近年来电力电子工业和计算机技术的迅速发展,交流伺服系统正广泛应用于工业生产的各个领域。为了满足高性能传动的需要,必须对位置进行精确控制。在设计伺服系统的过程中,使用Matlab/Simulink可以对设计方案进行验证1,大大减少系统的开发周期[1];郝军等在2Simulink环境下对异步电22机矢量变频调速系统进行仿真[2],表明Simulink可作为电机仿真中的一种方便、快捷、有效的工具;刘永飘等在Matlab/Simulink下设计永磁交流伺服系统的仿真模型并进行了仿真研究[3],验证了该仿真模型的有效性;杨平等在Matlab/Simulink环境下构建了永磁同步电机控制系统的速度和电流双闭环仿真模型,并进行了仿真研究[4]。笔者论述了永磁同步电机伺服系统的设计,给出了电流、速度和位置等调节器的设计方法,根据坐标变换公式设计了坐标变换模块,根据脉宽调制(PWM)的原理以及要求设计了逆变器模块,提高了系统的控制性能。1交流电机的数学模型三相交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。根据定、转子电压方程和磁链方程,电机的运动方程和转矩方程以及一般假定,交流电机数学模型的微分方程如下[5,6]:在di+ω5L1npiT5LJdωω=dθU=Ri+Lii=TL+(1)55dtnpdtdtθ2θ式中,U为电枢电压;i为电枢电流;R为电枢绕组电阻;L为电枢电感;TL为负载转矩;ω为转速;np为电机极对数;J为转动惯量;θ为角位移。2基于Matlab的交流伺服模型Matlab/Simulink环境下,利用PSB模块库,在分析永磁同步电机的数学模型的基础上,建立了交流伺服系统仿真模型,系统的整体控制框图如图1所示。系统采用3闭环控制的方法,包括位置环、速度环和电流环。采用这种3闭环的控制方法,可以使系统的控制性能更加优异。图1系统整体控制框图[收稿日期]2007208228[作者简介]韩皓(19822),男,2004年大学毕业,硕士生,现主要从事自动控制与仿真方面的研究工作。第4卷第4期韩皓等:基于Matlab/Simulink的伺服系统仿真·91·1)信号调节器系统中的信号调节器包括位置调节器、速度调节器和电流调节器。位置调节器是一个比例调节器,速度调节器和电流调节器均为比例积分调节器。另外,在3个模块中均加入了限幅模块,用来限制电机的转速和电流。2)dq向abc转换模块即dq坐标系向abc坐标系转换模块(简称为dq2abc转换模块),主要根据系统反馈的转子转角,按照d2q变换的反变换公式产生a2b2c三相基准信号,d2q变换的反变换公式如下[3,4]:cosθ-sinθ1iacosθ-2π-sinθ-2π1idib=33iq(2)iccosθ+2π-sinθ+2π1033式中,θ为系统反馈的转子转角。根据式(2)设计dq2abc转换模块的模型如图2所示。3)三相电源逆变模块它根据矢量控制原理,利用滞环电流控制方法,实现电流逆变控制。输入为经过dq2abc转换模块转换后的三相输入电流和系统反馈的定子输出三相电流,输出为逆变器电压信号,系统模块的结构如图3。4)永磁同步电机模块在Matlab/Simulink中,提供了图2dq2abc转换模块根据交直轴磁链理论建立的定子组按Y型连接的永磁同步电机模块。模块有4个输入端,前3个分别为A相、B相、C相的输入端;另外一个为系统的转矩输入端Tm,单位为N·m。当Tm0时,为电动机模式;当Tm0时,为发电机模式。此永磁电机的主要参数包括:定子电阻R(Ω);交直轴定子电感Ld、Lq(H);转子磁场磁通λ(Wb);转动惯量J(kg·m2);粘滞摩擦系数B(N·m·s);极对数P等[2]。系统中的永磁同步电机模型的输出信号为一个混合向图3三相电源逆变模块量,需要经过Matlab/Simulink中提供的与电机模块搭配使用的测量模块的处理,才能输出可读的各种信号。该系统中选取的输出信号包括:定子三相电流is_abc、定子交直轴向电流is_qd、转子转速ωm、转子转角θ、电机输出转矩Te。系统整体仿真图如图4所示。系统的3个反馈信号分别为位置反馈、转速反馈和电流反馈。位置反馈信号为转子转角θ,包括两部分:①反馈与输入的参考转角比较后输入位置调节器;②反馈到dq2abc转换模块中。速度反馈信号为转子的转速ωm,其反馈与位置调节器的输出信号(参考输入转速)比较后输入速度调节器。电流反馈信号分为定子三相电流is_abc和定子交直轴向电流is_qd两部分,图4系统整体仿真图定子三相电流is_abc反馈后输入系统逆变模块产生PWM脉宽波形,定子交直轴向电流is_qd反馈与输入的参考交直轴相电流比较后输入dq2abc转换模块。3仿真分析笔者基于Matlab/Simulink建立了交流伺服系统的仿真模型,并进行了仿真。在Matlab710系统中,可以直接选择预设的电机模型,该系统选取的电机模型主要参数为:定子电阻R=218750Ω;交直·92·长江大学学报(自科版)理工卷2007年12月轴定子电感Ld=Lq=85×10-3H;转子磁场磁通λ=0175Wb;转动惯量J=08×10-3kg·m2;粘滞摩擦系数B=0N·m·s;极对数P=4。为了验证系统的控制性能,选取系统在t=0时刻,加入负载转矩Tm=2N·m,系统给定的电机的转角为20°,限定转子的转速为500r/min。可以得到如图5所示的定子三相输出电流、转子转速、转子转角和转子输出转矩。由图5可以看出,电机在启动时定子三相电流变化较大,启动后马上达到稳定状态,同时转子的转速也稍稍变化后稳定到500r/min,同样定子的输出转矩也有较大变化后稳定在Tm=2Nm;当转子的111·转角逐渐接近20°时,转子的转速也开始稳定降低;当转子的转角达到20°,转子的转速完全减为0即电机停止转动;转子的输出转矩在电机减速到停止的过程中也有较小的变化。电机的整个运行过程很稳定,各种变化量均在较低的范围之内,并且能很迅速地达到给定的转角。图5电机输出波形图4结语Matlab/Simulink环境是一种很好的系统仿真工具软件,笔者设计的交流电机伺服系统仿真模型简单易用,另外还可以根据实际情况对参数进行修改。仿真结果表明,该系统可以实现高效的伺服系统设计。[参考文献][1]王爱祥,刘日宝1基于Matlab/Simulink的交流伺服系统的仿真[J]电子工程师,2006,32(2):60~6311[2]郝军,梁正文1111111111基于Simulink的异步电动机矢量控制变频调速设计与仿真[J]机电产品开放与控制,2006,19(4):143~144[3]刘永飘,钟彦儒,徐艳平永磁交流伺服系统矢量控制仿真[J]电气传动自动化,2006,28(1):18~21[4]杨平,马瑞卿,张云安基于Matlab的永磁同步电机控制系统建模仿真新方法[J]微电机,2005,38(5):38~41[5]尔桂花,窦曰轩1运动控制系统[M]北京:清华大学出版社,2002228~2331[6],史文浩交流伺服系统位置控制器的仿真研究[J]1西安理工大学学报,2002,18(3):274刘鸿雁11~1[编辑]易国华resultwouldbeendlesscomplainsfromtheoccupantsBasedonsimulationsusingcomputationalfluiddynamics,theresearchteamdesignsanovellamp/fananditisprovedthatenergycouldbesavedby12elevatingtheindoorroomtemperaturewhileoccupantscouldstillfeelcomfortable2Keywords:CFD;lamp/fan;thermalcomfort;energysaving83ApplicationofFrequencyControlledTechniqueinOilfieldSewageWaterTreatmentKey221CHENYongjunYangtzeUniversity,Jingzhou434023;HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430073)(WENGHuihui(YangtzeUniversity,Jingzhou434023)Abstract:Withthedevelopmentofpowerelectrictechnologyandcontrollingtechnology,ACfrequencyconversionforspeedadjustmenttechnologywasusedinindustrialmotordrivingareasBasedongeneralfrequencyconverter,PLCwasusedtocontrolthesewagetreatmentinanoilfieldfrequency2122212converterMeanwhileaccordingtothecharacteristicsofthecomplexityandtheprecisemodelthatishardtobebuiltinsewagetreatmentsystem,aCohenCoonmethodappliedtocalculateparameterswasgiven,theresultshowsthatitsantiinterferenceispowerfulandthemethodisimplementedsim2112122plywithabettercontrolqualityKeywords:PLC;Inverter;sewagetreatment;CohenCoonmethod86StudyonVectorControlSystemofInductionMotorsHUQinghua,ZHOUHaobingXi’anShiyouUniversity,Xi’an710049)(LONGBoXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049)(Abstract:Aimingatnonlinearmodelofmultivariableinductionmotor,traditionalPIDmethodwashardtoachievesatisfactorycontroleffectFuzzycontrolcancarryouttherealtimecontrolonsystemswithoutaccuratemathematicalmodelofinductionmotorInductionmotorvectorcontrolsystem22andthebasicprincipleofthefuzzyPIDareelaborated,thustomakeuseoffuzzyreasoning,automati12callyadjustingthecontrollers’parametersSimulationres
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