PMSM伺服控制系統(tǒng)仿真分析學習教案

1、會計學1PMSM伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿仿真分析真分析第一頁，共54頁?？刂乒β拾雽w器件的開、關 控制由電源送至負載的功率；功率半導體器件當開關使用(shyng) 頻率高、響應快、損失小。3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(1)3.3 變流技術(jsh)第1頁/共53頁第二頁，共54頁。AC-DCDC-AC3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(2)第2頁/共53頁第三頁，共54頁。 PWM控制的思想源于通信技術，PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要(xyo)的波形

2、（含形狀和幅值)。重要理論(lln)基礎面積等效原理沖量相等而形狀不同沖量相等而形狀不同(b tn)的窄脈沖加在具有慣的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)3.3.1 PWM控制原理(3)第3頁/共53頁第四頁，共54頁。i(t) 實例(shl)以上以上(yshng)(yshng)實例說明了實例說明了“面積等效原理面積等效原理”電路(dinl)輸入：e(t)電路輸

3、出：i(t)e(t)3.3.1 PWM控制原理(4)第4頁/共53頁第五頁，共54頁。如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(y )正弦半波Ou tOu tOu t3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(5)第5頁/共53頁第六頁，共54頁。SPWM波若要改變等效輸出(shch)正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ou tOu tOu tOu t 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(y )正弦半波3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(5)第6頁/共53頁第七頁，共54頁。 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWMPWM波形，因此波形

4、，因此(ync)(ync)正弦波一個完整周期的等效正弦波一個完整周期的等效PWMPWM波為：波為： 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWMPWM波，而且波，而且(r qi)(r qi)這種方式在實際應用中更為廣泛。這種方式在實際應用中更為廣泛。-U dU dO tU dO-U dU dwt3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(6)第7頁/共53頁第八頁，共54頁。直流斬波電路(dinl)(DC/DC)PWM逆變電路(DC/AC)斬控式交流調(diào)壓電路矩陣式變頻電路基于面積等效原理進行控制，本質(zhì)是相同的uotwt3.3.1 PWM控制原理(7)

5、第8頁/共53頁第九頁，共54頁。 PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到(d do)的就是PWM電流波直流斬波電路(dinl)直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形所需波形l 等效的等效的PWMPWM波波基于“面積等效原理”0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V3.3.1 PWM控制原理(8)第9頁/共53頁第十頁，共54頁。3.3.2 PWM控制技術第10頁/共53頁第十一頁，共54頁。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM 波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通 斷，就可得到(d do)所需P

6、WM波形本法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化 時，結果都要變化1、計算(j sun)法3.3.2 PWM控制技術第11頁/共53頁第十二頁，共54頁。把希望輸出的波形作調(diào)制信號，通過對此信號波的調(diào)制 得到所期望的PWM波；采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，等腰三角波應用最多，因其任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱；載波與平緩變化(binhu)的調(diào)制信號相交，在交點時刻控制器件通斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求；調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號 是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。第12頁/共53頁第十三頁，共54頁。為了得到為了得

7、到SPWMSPWM波形，采用波形，采用(ciyng)(ciyng)正弦波作為基正弦波作為基準波信號與載波信號比較準波信號與載波信號比較的方法。的方法。3 3、正弦波脈寬調(diào)制（、正弦波脈寬調(diào)制（SPWMSPWM） 4VT5VT2VT3VT6VT1VTAOuBOuCOu/2dUMotor/2dU主電路示意圖主電路示意圖 三相逆變電路及三相逆變電路及SPWMSPWM控制下的輸出控制下的輸出(shch)(shch)波形波形第13頁/共53頁第十四頁，共54頁。調(diào)制調(diào)制(tiozh)(tiozh)方方法：法： 頻率為頻率為swf、 幅值為幅值為/2dU的的控制用三角載波控制用三角載波swu與三與三個互差

8、個互差120o電角度的頻率和電角度的頻率和幅值 （最大值幅值 （最大值/2dU） 可調(diào)的） 可調(diào)的正弦波正弦波,rarbrcuuu相交，所產(chǎn)相交，所產(chǎn)生的交點如圖生的交點如圖所示，用以所示，用以分別控制分別控制, ,a b c各相的開關各相的開關器件。器件。 第14頁/共53頁第十五頁，共54頁。線電壓線電壓ABAOBOuuu。 以以 a a 相為例，以相為例，以swu與正與正弦 波弦 波rau的 交 點 為 界 ，的 交 點 為 界 ，swrauu時 控 制 開 關 器 件時 控 制 開 關 器 件VT1 開通（開通（VT4 關斷） ，反關斷） ，反之之 VT1 關斷關斷 VT4VT4 開通

9、。 由此開通。 由此產(chǎn)生圖產(chǎn)生圖所示的輸出電壓所示的輸出電壓AOu。AOu中所含的基波分量中所含的基波分量即為正弦波即為正弦波rau。換句話說，。換句話說，第第 k k 個開關周期個開關周期1/swf內(nèi)的內(nèi)的正弦波正弦波rau的的平均平均值值( )rauk與該周期內(nèi)矩形波與該周期內(nèi)矩形波( )AOuk的的平均平均值相等。值相等。 第15頁/共53頁第十六頁，共54頁。定義三相定子電壓空間矢量相加的合成矢量1u為： 101201202/3()2/3()oooABCjjjABCu eu eu euuuu 電壓矢量1( ) tu還可用極坐標表示為 11( )( )jtu t eu 由上式可知，1u是

10、一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量， 它以電源角頻率1w作旋轉(zhuǎn)。當某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量1u就落在該相的軸線上。 4 4、空間、空間(kngjin)(kngjin)矢量脈寬調(diào)制矢量脈寬調(diào)制（SVPWMSVPWM）第16頁/共53頁第十七頁，共54頁。 4VT5VT2VT3VT6VT1VTAuBuCudUIM0:jA e120:ojB e120:ojC eO1u(1)基本基本(jbn)電壓矢量及用基本電壓矢量及用基本(jbn)矢量表示的空間電矢量表示的空間電壓矢量壓矢量 表：三相變頻電源的開關狀態(tài)與基本電壓矢量 各 橋 臂 的開關狀態(tài) A 0 1 1 0 0 0 1 1 B 0 0 1 1 1 0

11、0 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 基本電壓矢量 0Vu 1Vu 2Vu 3Vu 4Vu 5Vu 6Vu 7Vu 基本矢量的方向 （空間位置） V0 - 1V 0je 2V /3je 3V 2 /3je 4V je 5V 4 /3je 6V 5 /3je V7 - 第17頁/共53頁第十八頁，共54頁。 8 組開關狀態(tài)對應于施加于電機繞組上的8 種電壓狀態(tài)， 它們可用2進制表示， , , A B C橋臂的開關狀態(tài)用2 進制的0122 ,2 ,2 位表示。 有6 組開關狀態(tài)，當其狀態(tài)持續(xù)開通時間it后，將在電機上施加一個電壓矢量，稱其為非零的基本電壓矢量，定義為16VVuu。方向由電機繞

12、組在空間的位置確定。 由于PWM方法是以一個載波周期SWT中的電壓平均值表述其大小，直流電壓dU為常數(shù)時，16VVuu的大小正比于開通時間為it。此外，狀態(tài)（000）和（111）被稱為零電壓矢量。 4VT5VT2VT3VT6VT1VTAuBuCudUIM0:jA e120:ojB e120:ojC eO1u第18頁/共53頁第十九頁，共54頁。 16VVuu的位置：16VVuu與圖中的相電壓矢量,ABCu u u之間的位置關系如何呢？以1Vu和Au的位置關系為例， 1()VANNBNCuuuu 因此1Vu與ANu的位置(也即Au的位置)相同。 同理可知，3Vu、5Vu分別和Bu、Cu的位置相同

13、。由此可定義 6 個基本電壓矢量方向為16VV。 表：三相變頻電源的開關狀態(tài)與基本電壓矢量 各 橋 臂 的開關狀態(tài) A 0 1 1 0 0 0 1 1 B 0 0 1 1 1 0 0 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 基本電壓矢量 0Vu 1Vu 2Vu 3Vu 4Vu 5Vu 6Vu 7Vu 基本矢量的方向 （空間位置） V0 - 1V 0je 2V /3je 3V 2 /3je 4V je 5V 4 /3je 6V 5 /3je V7 - 2,max2,(011)VVu 3,max3,(010)VVu 6,max6,(101)VVu 1,max1,(001)VVu 5,max5(10

14、0)VVu 4,max4(110)VVu 第19頁/共53頁第二十頁，共54頁。 16VVuu的大小：以1Vu為例，由于1Vu開通時向電機施加線電壓矢量ABu和ACu，最大的1Vu 13030,max,max,max23oojjVABACueueu 只是此時,max,maxABACduuU而不是3/2dU，,max2/3iVdUu 假設16VVuu的持續(xù)時間為it，則這些矢量可表述為 0122,1,2,3,4,5,633iitiVdidiSWSWtUdtUiTTuVV 2,max(011)Vu 2Vu 1Vu 1u1,max(001)Vu 2,max2,(011)VVu 3,max3,(010

15、)VVu 6,max6,(101)VVu 1,max1,(001)VVu 5,max5(100)VVu 4,max4(110)VVu 第20頁/共53頁第二十一頁，共54頁。1( )ku可用其相鄰的兩個基本電壓矢量之和得到。如圖，在第扇區(qū)的1( )ku可以用其在基本電壓矢量方向1V和2V上的投影12,VVuu表示， 112( )( )( )VVkkkuuu 盡管矢量1( )ku還可用圖中的其他基本矢量表示，可以證明，用相鄰基本矢用相鄰基本矢量表示時實際輸出電壓中所含的諧波分量最小量表示時實際輸出電壓中所含的諧波分量最小。用相鄰基本矢量表示1( )ku的另一個優(yōu)點是， 當由一個分矢量變?yōu)榱硪粋€分

16、矢量時， 只需改變逆變器一個橋臂的開關狀態(tài)。 例如12VVuu時， 只需將三個橋臂的開關狀態(tài)由(001)變?yōu)?011)、即將 B 橋臂的“關”變?yōu)椤伴_”即可。這樣做，使得逆變電源的開關次數(shù)最少從而減少功率開關器件的開關損耗。 第21頁/共53頁第二十二頁，共54頁。五段法五段法 0V2V1V7V0t1t2t7tAuBuCuswTt ( )a矢量合成及對應的 PWM 波 ( )b2,max(011)Vu swT ( )a1( )ku1Vu1t2t1Vu1,max(001)Vu 2Vu以1( ) tu處于第扇區(qū)為例討論該方法。將圖(b)重畫于圖(a)，由此圖可以得到兩個分矢量1( )Vku、2(

17、)Vku的模與1( )ku的模的關系式， 1121( )sin( )sin()33( )sin( )sin3VVuku kuku k 由此，11212( )( )sin()332( )( )sin3VVuku kuku k 第22頁/共53頁第二十三頁，共54頁。1121,max1122121( )( )( )VVuSWSWkkkUttTttTuuuVV 于是，求解1( )ku就變成求解在基本電壓矢量方向1V和2V上的開通時間1t和2t了。由上式可得對應于12( ),( )VVuk uk的開通時間1t和2t為 111,max221,max/VswuVswutu TUtu TU， 對于一個開關周

18、期swT內(nèi)12,t t以外的時間，需要輸出零電壓矢量。其持續(xù)時間0t和7t得到 071212swttTtt 第23頁/共53頁第二十四頁，共54頁。 控制系統(tǒng)CAD技術是對復雜控制系統(tǒng)進行分析和設計的重要方法和手段。在進行控制系統(tǒng)的分析與綜合的過程(guchng)中，除了要進行理論分析外，還要對系統(tǒng)的特性進行實驗研究，研究系統(tǒng)的固有的動態(tài)特性，驗算設計的控制器能否達到預期的性能指標，這個過程(guchng)是設計實驗修改設計再實驗的過程(guchng)。 所謂控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的計算機仿真就是以控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的數(shù)學模型為基礎，借助計算機對控制系統(tǒng)(kn zh x

19、 tn)的動態(tài)特性進行實驗研究。 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的計算機仿真是控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的計算機輔助設計的一個部分。這一過程包括：建立數(shù)學模型；根據(jù)性能指標和控制算法編程求解控制器參數(shù)；對系統(tǒng)校正前后進行仿真，并驗證控制器的實際控制效果；修改控制器參數(shù)或結構，直到仿真結果滿足設計要求。2、控制系統(tǒng)仿真 3.4 PMSM伺服控制系統(tǒng)仿真分析第24頁/共53頁第二十五頁，共54頁。3、MATLAB簡介(jin ji)MATLAB是以復數(shù)矩陣作為基本編程單元的一種程序設計語言，它提供了各種矩陣的運算操作，并具有較強的繪圖(hu t)功能。v語言簡潔緊湊，使用方便靈活(ln h

20、u)。v例如：A=1 2 3;4 5 6;7 8 9一條語句實現(xiàn)了對3x3矩陣的輸入。v數(shù)值算法穩(wěn)定可靠，庫函數(shù)十分豐富。v 例如： polyder(b)%求多項式b的微分v運算符豐富。v 例如：C=A*B %矩陣的乘法，v x=Ab %求Axb的最小二乘解vMatlab既具有結構化的控制語句（if、for、while）又支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O計。v語法限制不嚴格，程序設計自由度大。第25頁/共53頁第二十六頁，共54頁。v程序的可移植性好。vMatlab的圖形功能強大，支持數(shù)據(jù)的可視化操作，方便(fngbin)的顯示程序的運行結果。v強大的工具箱。v 例如：控制領域可以使用的工具箱就有Cont

21、rol System（控制工具箱） v源程序的開發(fā)性，系統(tǒng)的可擴充能力強。 vMatlab是解釋執(zhí)行語言。v Matlab程序不用編譯生成可執(zhí)行文件就可以運行 Matlab集成環(huán)境(hunjng)的組成 Matlab語言(yyn) Matlab工作環(huán)境 Matlab圖形系統(tǒng) Matlab數(shù)學函數(shù)庫 Matlab API第26頁/共53頁第二十七頁，共54頁。Matlab軟件的基本(jbn)使用命令(mng lng)窗口 工作空間 歷史命令 當前路徑 Simulink Demo Help第27頁/共53頁第二十八頁，共54頁。qSIMULINKSIMULINK是是MATLABMATLAB軟件的擴

22、展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與模和仿真的一個軟件包，它與MATLABMATLAB語言的主要區(qū)別語言的主要區(qū)別(qbi)(qbi)在于，其與用戶交互接口是基于在于，其與用戶交互接口是基于WindowsWindows的模型化圖的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而非語言的編程上。型的構建，而非語言的編程上。q所謂模型化圖形輸入是指所謂模型化圖形輸入是指SIMULINKSIMULINK提供了一些按功能分提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸

23、入輸出類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構成所需要這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。4 4、SIMULINKSIMULINK第28頁/共53頁第二十九頁，共54頁。1)SIMULINK的主要(zhyo)模塊SIMILINK模塊(m kui)庫按功能進行分類，主要包括以下子庫：Continuous（連續(xù)模塊(m kui)）Discrete（離散模塊(m

24、kui)）Math Operations（數(shù)學模塊(m kui)）Signals Routing（信號流向模塊(m kui)）Sinks（接收器模塊(m kui)）Sources（輸入源模塊(m kui)）第29頁/共53頁第三十頁，共54頁。（1 1）連續(xù)模塊（）連續(xù)模塊（ContinuousContinuous）IntegratorIntegrator：輸入信號積分：輸入信號積分DerivativeDerivative：輸入信號微分：輸入信號微分(wi fn)(wi fn)State-SpaceState-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Transfer-FcnTra

25、nsfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型：線性傳遞函數(shù)模型Zero-PoleZero-Pole：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型MemoryMemory：存儲上一時刻的狀態(tài)值：存儲上一時刻的狀態(tài)值Transport DelayTransport Delay：輸入信號延時一個固定時間再輸出：輸入信號延時一個固定時間再輸出Variable Transport DelayVariable Transport Delay：輸入信號延時一個可變時間再輸出：輸入信號延時一個可變時間再輸出第30頁/共53頁第三十一頁，共54頁。（2 2）離散模塊（）離散模塊（DiscreteDiscret

26、e）Discrete-time IntegratorDiscrete-time Integrator：離散時間積分器：離散時間積分器Discrete FilterDiscrete Filter：IIRIIR與與FIRFIR濾波器濾波器Discrete State-SpaceDiscrete State-Space：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Discrete Transfer-FcnDiscrete Transfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型：離散傳遞函數(shù)模型Discrete Zero-PoleDiscrete Zero-Pole：以零極點表示的離散傳遞函數(shù)模型：以零極點表示的離

27、散傳遞函數(shù)模型First-Order HoldFirst-Order Hold：一階采樣：一階采樣(ci yn)(ci yn)和保持器和保持器Zero-Order HoldZero-Order Hold：零階采樣：零階采樣(ci yn)(ci yn)和保持器和保持器Unit DelayUnit Delay：一個采樣：一個采樣(ci yn)(ci yn)周期的延時周期的延時第31頁/共53頁第三十二頁，共54頁。（3 3） Math Operations Math Operations （數(shù)學模塊）（數(shù)學模塊） SumSum：加減運算：加減運算ProductProduct：乘運算：乘運算Dot

28、ProductDot Product：點乘運算：點乘運算GainGain：比例運算：比例運算Math FunctionMath Function：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學函數(shù)數(shù)、求平方、開根號等常用數(shù)學函數(shù)Trigonometric FunctionTrigonometric Function：三角函數(shù)，包：三角函數(shù)，包括正弦括正弦(zhngxin)(zhngxin)、余弦、正切等、余弦、正切等MinMaxMinMax：最值運算：最值運算AbsAbs：取絕對值：取絕對值SignSign：符號函數(shù)：符號函數(shù)第32頁/共53頁第三十三頁，共54頁。（4

29、 4）Signal Routing Signal Routing In1In1：輸入端。：輸入端。Out1Out1：輸出端。：輸出端。MuxMux：將多個單一輸入轉(zhuǎn)化為一個復合輸出。：將多個單一輸入轉(zhuǎn)化為一個復合輸出。DemuxDemux：將一個復合輸入轉(zhuǎn)化為多個單一輸：將一個復合輸入轉(zhuǎn)化為多個單一輸出。出。GroundGround：連接：連接(linji)(linji)到?jīng)]有連接到?jīng)]有連接(linji)(linji)到的輸入端。到的輸入端。TerminatorTerminator：連接：連接(linji)(linji)到?jīng)]有連接到?jīng)]有連接(linji)(linji)到的輸出端。到的輸出端。S

30、ubSystemSubSystem：建立新的封裝（：建立新的封裝（MaskMask）功能模）功能模塊塊第33頁/共53頁第三十四頁，共54頁。（5 5）SinksSinks（接收器模塊）（接收器模塊） ScopeScope：示波器。：示波器。XY GraphXY Graph：顯示：顯示(xinsh)(xinsh)二維圖二維圖形。形。ToTo Workspace Workspace：將輸出寫入：將輸出寫入MATLABMATLAB的工作空間。的工作空間。ToTo File(.mat) File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。文件。第34頁/共53頁第三十五頁，共54頁。（6 6）

31、SourcesSources（輸入源模塊）（輸入源模塊）ConstantConstant：常數(shù)信號。：常數(shù)信號。ClockClock：時鐘信號。：時鐘信號。From WorkspaceFrom Workspace：來自：來自MATLABMATLAB的工作空間。的工作空間。From File(.mat)From File(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件。：來自數(shù)據(jù)文件。Pulse GeneratorPulse Generator：脈沖發(fā)生器。：脈沖發(fā)生器。Repeating SequenceRepeating Sequence：重復信號。：重復信號。Signal GeneratorSignal Gen

32、erator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒生正弦、方波、鋸齒(jch)(jch)波及隨意波。波及隨意波。Sine WaveSine Wave：正弦波信號。：正弦波信號。StepStep：階躍波信號。：階躍波信號。第35頁/共53頁第三十六頁，共54頁。例：已知單位負反饋二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試繪制(huzh)單位階躍響應的實驗結構圖。sssG47. 410)(25、SIMULINK簡單(jindn)仿真第36頁/共53頁第三十七頁，共54頁。（1）Creating an Empty Model第37頁/共53頁第三十八頁，共54頁。第38頁/共53頁第三十九頁，共54頁。（2）Adding Blocks第39頁/共53頁第四十頁，共54頁。第40頁/共53頁第四十一頁，共54頁。（3）SIMULINK仿真(fn zhn)的運行設置仿真參數(shù)和選擇解法器：設置仿真參數(shù)和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會彈出一個仿真參數(shù)對