永磁同步伺服系统的仿真研究Word文件下载.docx
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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。
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永磁同步伺服系统仿真模型的建立
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。
图2
2.2交流永磁同步伺服系统仿真结构的建立
图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）
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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，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，可在实际系统中加以引用。
电流环仿真结果参数见表1所示[2]。
表1
仿真所得电流调节器参数范围
3.2速度环的仿真与分析
为研究速度调节器参数设置，按图1对速度环进行仿真。
系统空载时，调整速度调节器放大系数、积分系数，并对每种情况分别进行仿真。
为节省篇幅，图3只给出比例放大系数为0.1（图a）、0.5（图b），积分系数从左到右分别为0.01、0.05、0.1、0.5几种情况下速度阶跃响应。
仿真结果表明，空载时，速度调节器比例系数为0.1～1，积分系数在0.01～0.1时系统具有比较好的速度阶跃响应，当比例系数接近1时，速度阶跃响应会出现振荡和超调。
仿真还发现，空载时，速度调节器积分系数还可以减小，也可以满足空载情况下速度阶跃响应要求，但积分系数太小，积分将不起作用，调节器便成为单比例调节。
图3
空载时速度调节器参数变动情况下的速度阶跃响应
实际系统速度调节器参数是按照线性Ⅱ型系统设计，在速度阶跃过程中，调节器会出现饱和，系统的实际运行情况和设计时所采用的线性对象具有很大的差别，调节器设计时初始条件和实际系统退饱和后调节器参与调节时初始条件有很大差别，因此，按照工程设计方法所设计的结果在实际系统中要做比较大的调整才可以满足实际系统需要。
所以调节器工程设计方法不适合于伺服系统速度环的设计，但该设计方法关于调节器的型式选择仍然适用。
系统突加额定阶跃负载，在负载作用下，系统将产生动态与稳态速度降落。
根据调节器参数各种组合对实际系统进行仿真，仿真结果表明，在比例系数为0.5左右，积分系数为0.1左右时，速度环具有比较好的速度阶跃及抗扰响应性能。
图4只给出比例系数0.5，积分系数为0.001、0.01、0.1、0.5时的响应情况。
比较这几种响应情况可以看出，比例系数为0.5，积分系数0.1时速度响应性能较好，与给定速度的静差小。
图4
突加负载情况下速度调节器参数变动时的响应
从仿真结果可见，在系统实际运行过程中，为获得比较快的速度阶跃响应，保证速度环在任意负载情况下均具有良好的响应性能，速度调节器的比例系数可取0.5左右的数值，积分系数可取0.1左右的数值。
另外，在所选取调节器参数情况下，速度阶跃响应过程中会出现振荡和超调，这对伺服系统定位过程是不利的。
速度超调是使用PI调节器并要求有快速响应的必然结果，原因是调节器要退出饱和，参与调节。
此外，从速度振荡部分看电流、电磁转矩、电压波形，各波形上均有不同程度振荡，说明系统响应快速性和稳定性间的矛盾。
调节器比例积分系数对系统速度响应有着至关重要的影响。
因此，在实际调整过程中，应在快速性和稳定性之间采取折衷。
从仿真结果看，随着调节器比例放大倍数增加，速度响应加快，超调增加;
比例放大倍数减小，超调减小，甚至成为过阻尼响应形式，响应减缓。
调节器积分系数影响着速度响应的准确度，空载时，积分系数可在较大范围内满足速度调节的精度。
负载扰动下，随着调节器积分系数增加，速度响应稳态误差减小，电机的稳速精度提高。
为避免动态过程中的速度响应振荡与超调，在速度反馈回路中施加速度微分负反馈，它和速度负反馈共同作用，实施对电机速度的动态调整。
当调节器比例积分系数不变（比例系数0.5，积分系数0.1），速度微分反馈系数为0、0.002、0.004、0.008时速度阶跃响应见图5，由图可见，微分反馈系数在0.002～0.004范围取值时，速度阶跃响应快且无速度超调。
速度微分负反馈的引入，可以预测电机速度变化趋势，符合现代控制的全状态反馈控制，能够有效地抑制速度超调。
此外，系统加入速度微分负反馈后，速度调节器比例积分系数可变动范围还可以扩大，如微分系数取0.004时，速度调节器的比例系数可以增大到原来的2倍而基本不出现速度响应振荡与超调，借助于比例系数增加，可以使系统具有更好的稳速精度。
图5
速度调节器参数不变而速度微分反馈系数变化时的速度阶跃响应
保持调节器参数不变（比例系数0.5，积分系数0.1）,
微分反馈系数0.002，在对象转动惯量从一倍、两倍到三倍电机转动惯量变化时，电机速度阶跃及负载突加时速度响应见图6所示。
说明在此调节器参数及微分反馈系数情况下，对象转动惯量变化时速度响应可以满足实际需要。
仿真还发现，在该参数值时，对象转动惯量从1～10倍电机转子转动惯量变化时，其速度响应均具有比较好的性能。
考虑到实际伺服系统控制对象转动惯量一般不超过电机转动惯量的十倍，因此所选参数可以满足实际要求。
实际上，随着对象转动惯量的增加，其对应机电时间常数增加，速度闭环系统的开环放大倍数减小，系统速度响应变缓，但因本系统所选调节器比例系数较大，无微分反馈作用时速度响应存在超调与振荡。
在微分反馈作用下，系统涵盖的对象参量变化范围可以较宽，即在所选参数情况下，系统可以适应对象转动惯量的变化。
图6
速度调节器参数不变而对象转动惯量变化时的速度阶跃响应
另外，速度环输出的限幅数值也影响着电机的速度响应，如图7。
图中，速度调节器比例积分系数不变（比例系数0.5，积分系数0.2），速度调节器输出限幅分别为额定转矩60%、100%、150%时的速度阶跃响应，可见随着调节器输出限幅的增加，速度响应加快，到达指定速度时的振荡程度增加。
输出限幅数值决定电机在动态过程中加速力矩的大小，影响电机在加减速过程中的加速度，影响系统速度响应过程。
其数值需要合适设置，应该充分利用电机过载能力，提高电机速度响应性能。
同时，设置速度微分反馈，以抑制速度响应超调。
仿真结果显示，当速度微分反馈系数取0.004时，在电机限幅力矩范围内均可有效地抑制速度响应超调。
根据仿真结果，速度环参数可取表2所示数值。
图7
速度调节器参数不变而输出限幅数值变化时的速度阶跃响应
表2
仿真所得速度调节器参数范围
3.3位置环的仿真与分析
系统位置环按典型Ⅰ型系统设计，参数满足
，目的是不希望出现位置响应超调。
按照位置环的设计分析，位置调节器为比例调节器。
位置给定时，位置调节器输出有限幅，该值对应系统电机所允许的速度限幅。
速度限幅为2000r/min时，位置环响应如图8。
图8为单电机空载时位置响应，左图为按设计参数（KPW=0.743）运行时的位置响应，可见，此时响应过程并非最优。
将调节器比例系数调整到0.9，其位置响应（中间图）较好，定位与位置跟随速度快且准确。
右图为比例系数偏大（1.0）时的响应，此时出现位置响应超调。
图8
位置调节器参数调整时的位置响应
图8中，上部两曲线为电机速度与位置响应，下为电机交轴电流波形。
当电机转动惯量加倍，调节器比例系数约为0.45时，位置响应最优。
调节器比例系数近似为图8最优响应时比例系数的一半。
电机转动惯量增加到三倍时，调节器比例系数约为0.3时，位置响应最优。
电机转动惯量增加到四倍时，调节器比例系数约为0.225时，位置响应最优。
电机转动惯量增加到五倍时，调节器比例系数约为0.18时，位置响应最优。
由此可见，随着电机轴联转动惯量增加，位置环为获得最优位置响应，调节器比例系数将成比例减小，仿真所得
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