交流永磁同步电机伺服系统的仿真研究

0 引言

　　仿真是系统分析研究的重要手段，通过仿真，可以验证理论分析和设计的正确性，模拟实际系统的运行过程，分析系统特性随参数的变化规律，描述系统的状态与特性，探索设计结果是否满足实际要求，也可讨论系统稳定性，研究系统控制参数、负载变化对系统动态性能的影响，研究控制方法和手段对系统性能的改善与提高。因此，仿真具有和实验相同的作用，并可避免实际实验操作的复杂性，完成无法进行实验系统或过程的仿真模拟。针对伺服系统，影响系统运行的因数很多，如何在纷繁复杂的环境条件中寻找最优的控制参数、采取合适的控制手段，是伺服系统设计与运行中需要深入探讨的问题，这些因数将影响到实际系统的运行及其对环境的适应性。

　　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。

1 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

　　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 交流永磁同步伺服系统逆变器内部结构图

　　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）。