PMSM伺服控制系统仿真分析学习教案

1、会计学1PMSM伺服控制系统伺服控制系统(kn zh x tn)仿仿真分析真分析第一页，共54页。控制功率半导体器件的开、关 控制由电源送至负载的功率；功率半导体器件当开关使用(shyng) 频率高、响应快、损失小。3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(1)3.3 变流技术(jsh)第1页/共53页第二页，共54页。AC-DCDC-AC3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(2)第2页/共53页第三页，共54页。 PWM控制的思想源于通信技术，PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要(xyo)的波形

2、（含形状和幅值)。重要理论(lln)基础面积等效原理冲量相等而形状不同冲量相等而形状不同(b tn)的窄脉冲加在具有惯的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。性的环节上时，其效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)3.3.1 PWM控制原理(3)第3页/共53页第四页，共54页。i(t) 实例(shl)以上以上(yshng)(yshng)实例说明了实例说明了“面积等效原理面积等效原理”电路(dinl)输入：e(t)电路输

3、出：i(t)e(t)3.3.1 PWM控制原理(4)第4页/共53页第五页，共54页。如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个(y )正弦半波Ou tOu tOu t3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(5)第5页/共53页第六页，共54页。SPWM波若要改变等效输出(shch)正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。Ou tOu tOu tOu t 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个(y )正弦半波3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(5)第6页/共53页第七页，共54页。 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWMPWM波形，因此波形

4、，因此(ync)(ync)正弦波一个完整周期的等效正弦波一个完整周期的等效PWMPWM波为：波为： 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWMPWM波，而且波，而且(r qi)(r qi)这种方式在实际应用中更为广泛。这种方式在实际应用中更为广泛。-U dU dO tU dO-U dU dwt3.3.1 PWM控制(kngzh)原理(6)第7页/共53页第八页，共54页。直流斩波电路(dinl)(DC/DC)PWM逆变电路(DC/AC)斩控式交流调压电路矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质是相同的uotwt3.3.1 PWM控制原理(7)

5、第8页/共53页第九页，共54页。 PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到(d do)的就是PWM电流波直流斩波电路(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“面积等效原理”0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V3.3.1 PWM控制原理(8)第9页/共53页第十页，共54页。3.3.2 PWM控制技术第10页/共53页第十一页，共54页。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通 断，就可得到(d do)所需P

6、WM波形本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化 时，结果都要变化1、计算(j sun)法3.3.2 PWM控制技术第11页/共53页第十二页，共54页。把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的调制 得到所期望的PWM波；采用等腰三角波或锯齿波作为载波，等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称；载波与平缓变化(binhu)的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求；调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号 是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。第12页/共53页第十三页，共54页。为了得到为了得

7、到SPWMSPWM波形，采用波形，采用(ciyng)(ciyng)正弦波作为基正弦波作为基准波信号与载波信号比较准波信号与载波信号比较的方法。的方法。3 3、正弦波脉宽调制（、正弦波脉宽调制（SPWMSPWM） 4VT5VT2VT3VT6VT1VTAOuBOuCOu/2dUMotor/2dU主电路示意图主电路示意图 三相逆变电路及三相逆变电路及SPWMSPWM控制下的输出控制下的输出(shch)(shch)波形波形第13页/共53页第十四页，共54页。调制调制(tiozh)(tiozh)方方法：法： 频率为频率为swf、 幅值为幅值为/2dU的的控制用三角载波控制用三角载波swu与三与三个互差

8、个互差120o电角度的频率和电角度的频率和幅值 （最大值幅值 （最大值/2dU） 可调的） 可调的正弦波正弦波,rarbrcuuu相交，所产相交，所产生的交点如图生的交点如图所示，用以所示，用以分别控制分别控制, ,a b c各相的开关各相的开关器件。器件。 第14页/共53页第十五页，共54页。线电压线电压ABAOBOuuu。 以以 a a 相为例，以相为例，以swu与正与正弦 波弦 波rau的 交 点 为 界 ，的 交 点 为 界 ，swrauu时 控 制 开 关 器 件时 控 制 开 关 器 件VT1 开通（开通（VT4 关断） ，反关断） ，反之之 VT1 关断关断 VT4VT4 开通

9、。 由此开通。 由此产生图产生图所示的输出电压所示的输出电压AOu。AOu中所含的基波分量中所含的基波分量即为正弦波即为正弦波rau。换句话说，。换句话说，第第 k k 个开关周期个开关周期1/swf内的内的正弦波正弦波rau的的平均平均值值( )rauk与该周期内矩形波与该周期内矩形波( )AOuk的的平均平均值相等。值相等。 第15页/共53页第十六页，共54页。定义三相定子电压空间矢量相加的合成矢量1u为： 101201202/3()2/3()oooABCjjjABCu eu eu euuuu 电压矢量1( ) tu还可用极坐标表示为 11( )( )jtu t eu 由上式可知，1u是

10、一个旋转的空间矢量， 它以电源角频率1w作旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量1u就落在该相的轴线上。 4 4、空间、空间(kngjin)(kngjin)矢量脉宽调制矢量脉宽调制（SVPWMSVPWM）第16页/共53页第十七页，共54页。 4VT5VT2VT3VT6VT1VTAuBuCudUIM0:jA e120:ojB e120:ojC eO1u(1)基本基本(jbn)电压矢量及用基本电压矢量及用基本(jbn)矢量表示的空间电矢量表示的空间电压矢量压矢量 表：三相变频电源的开关状态与基本电压矢量 各 桥 臂 的开关状态 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 基本电压矢量 0Vu 1Vu 2Vu 3Vu 4Vu 5Vu 6Vu 7Vu 基本矢量的方向 （空间位置） V0 - 1V 0je 2V /3je 3V 2 /3je 4V je 5V 4 /3je 6V 5 /3je V7 - 第17页/共53页第十八页，共54页。 8 组开关状态对应于施加于电机绕组上的8 种电压状态， 它们可用2进制表示， , , A B C桥臂的开关状态用2 进制的0122 ,2 ,2 位表示。 有6 组开关状态，当其状态持续开通时间it后，将在电机上施加一个电压矢量，称其为非零的基本电压矢量，定义为16VVuu。方向由电机绕

12、组在空间的位置确定。 由于PWM方法是以一个载波周期SWT中的电压平均值表述其大小，直流电压dU为常数时，16VVuu的大小正比于开通时间为it。此外，状态（000）和（111）被称为零电压矢量。 4VT5VT2VT3VT6VT1VTAuBuCudUIM0:jA e120:ojB e120:ojC eO1u第18页/共53页第十九页，共54页。 16VVuu的位置：16VVuu与图中的相电压矢量,ABCu u u之间的位置关系如何呢？以1Vu和Au的位置关系为例， 1()VANNBNCuuuu 因此1Vu与ANu的位置(也即Au的位置)相同。 同理可知，3Vu、5Vu分别和Bu、Cu的位置相同

13、。由此可定义 6 个基本电压矢量方向为16VV。 表：三相变频电源的开关状态与基本电压矢量 各 桥 臂 的开关状态 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 基本电压矢量 0Vu 1Vu 2Vu 3Vu 4Vu 5Vu 6Vu 7Vu 基本矢量的方向 （空间位置） 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页/共53页第二十页，共54页。 16VVuu的大小：以1Vu为例，由于1Vu开通时向电机施加线电压矢量ABu和ACu，最大的1Vu 13030,max,max,max23oojjVABACueueu 只是此时,max,maxABACduuU而不是3/2dU，,max2/3iVdUu 假设16VVuu的持续时间为it，则这些矢量可表述为 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页/共53页第二十一页，共54页。1( )ku可用其相邻的两个基本电压矢量之和得到。如图，在第扇区的1( )ku可以用其在基本电压矢量方向1V和2V上的投影12,VVuu表示， 112( )( )( )VVkkkuuu 尽管矢量1( )ku还可用图中的其他基本矢量表示，可以证明，用相邻基本矢用相邻基本矢量表示时实际输出电压中所含的谐波分量最小量表示时实际输出电压中所含的谐波分量最小。用相邻基本矢量表示1( )ku的另一个优点是， 当由一个分矢量变为另一个分

16、矢量时， 只需改变逆变器一个桥臂的开关状态。 例如12VVuu时， 只需将三个桥臂的开关状态由(001)变为(011)、即将 B 桥臂的“关”变为“开”即可。这样做，使得逆变电源的开关次数最少从而减少功率开关器件的开关损耗。 第21页/共53页第二十二页，共54页。五段法五段法 0V2V1V7V0t1t2t7tAuBuCuswTt ( )a矢量合成及对应的 PWM 波 ( )b2,max(011)Vu swT ( )a1( )ku1Vu1t2t1Vu1,max(001)Vu 2Vu以1( ) tu处于第扇区为例讨论该方法。将图(b)重画于图(a)，由此图可以得到两个分矢量1( )Vku、2(

17、)Vku的模与1( )ku的模的关系式， 1121( )sin( )sin()33( )sin( )sin3VVuku kuku k 由此，11212( )( )sin()332( )( )sin3VVuku kuku k 第22页/共53页第二十三页，共54页。1121,max1122121( )( )( )VVuSWSWkkkUttTttTuuuVV 于是，求解1( )ku就变成求解在基本电压矢量方向1V和2V上的开通时间1t和2t了。由上式可得对应于12( ),( )VVuk uk的开通时间1t和2t为 111,max221,max/VswuVswutu TUtu TU， 对于一个开关周

18、期swT内12,t t以外的时间，需要输出零电压矢量。其持续时间0t和7t得到 071212swttTtt 第23页/共53页第二十四页，共54页。 控制系统CAD技术是对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综合的过程(guchng)中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程(guchng)是设计实验修改设计再实验的过程(guchng)。 所谓控制系统(kn zh x tn)的计算机仿真就是以控制系统(kn zh x tn)的数学模型为基础，借助计算机对控制系统(kn zh x

19、 tn)的动态特性进行实验研究。 控制系统(kn zh x tn)的计算机仿真是控制系统(kn zh x tn)的计算机辅助设计的一个部分。这一过程包括：建立数学模型；根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数；对系统校正前后进行仿真，并验证控制器的实际控制效果；修改控制器参数或结构，直到仿真结果满足设计要求。2、控制系统仿真 3.4 PMSM伺服控制系统仿真分析第24页/共53页第二十五页，共54页。3、MATLAB简介(jin ji)MATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算操作，并具有较强的绘图(hu t)功能。v语言简洁紧凑，使用方便灵活(ln h

20、u)。v例如：A=1 2 3;4 5 6;7 8 9一条语句实现了对3x3矩阵的输入。v数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。v 例如： polyder(b)%求多项式b的微分v运算符丰富。v 例如：C=A*B %矩阵的乘法，v x=Ab %求Axb的最小二乘解vMatlab既具有结构化的控制语句（if、for、while）又支持面向对象的程序设计。v语法限制不严格，程序设计自由度大。第25页/共53页第二十六页，共54页。v程序的可移植性好。vMatlab的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方便(fngbin)的显示程序的运行结果。v强大的工具箱。v 例如：控制领域可以使用的工具箱就有Cont

21、rol System（控制工具箱） v源程序的开发性，系统的可扩充能力强。 vMatlab是解释执行语言。v Matlab程序不用编译生成可执行文件就可以运行 Matlab集成环境(hunjng)的组成 Matlab语言(yyn) Matlab工作环境 Matlab图形系统 Matlab数学函数库 Matlab API第26页/共53页第二十七页，共54页。Matlab软件的基本(jbn)使用命令(mng lng)窗口 工作空间 历史命令 当前路径 Simulink Demo Help第27页/共53页第二十八页，共54页。qSIMULINKSIMULINK是是MATLABMATLAB软件的扩

22、展，它是实现动态系统建软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与模和仿真的一个软件包，它与MATLABMATLAB语言的主要区别语言的主要区别(qbi)(qbi)在于，其与用户交互接口是基于在于，其与用户交互接口是基于WindowsWindows的模型化图的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。型的构建，而非语言的编程上。q所谓模型化图形输入是指所谓模型化图形输入是指SIMULINKSIMULINK提供了一些按功能分提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输

23、入输出类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析。的系统模型，进而进行仿真与分析。4 4、SIMULINKSIMULINK第28页/共53页第二十九页，共54页。1)SIMULINK的主要(zhyo)模块SIMILINK模块(m kui)库按功能进行分类，主要包括以下子库：Continuous（连续模块(m kui)）Discrete（离散模块(m

24、kui)）Math Operations（数学模块(m kui)）Signals Routing（信号流向模块(m kui)）Sinks（接收器模块(m kui)）Sources（输入源模块(m kui)）第29页/共53页第三十页，共54页。（1 1）连续模块（）连续模块（ContinuousContinuous）IntegratorIntegrator：输入信号积分：输入信号积分DerivativeDerivative：输入信号微分：输入信号微分(wi fn)(wi fn)State-SpaceState-Space：线性状态空间系统模型：线性状态空间系统模型Transfer-FcnTra

25、nsfer-Fcn：线性传递函数模型：线性传递函数模型Zero-PoleZero-Pole：以零极点表示的传递函数模型：以零极点表示的传递函数模型MemoryMemory：存储上一时刻的状态值：存储上一时刻的状态值Transport DelayTransport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport DelayVariable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出：输入信号延时一个可变时间再输出第30页/共53页第三十一页，共54页。（2 2）离散模块（）离散模块（DiscreteDiscret

26、e）Discrete-time IntegratorDiscrete-time Integrator：离散时间积分器：离散时间积分器Discrete FilterDiscrete Filter：IIRIIR与与FIRFIR滤波器滤波器Discrete State-SpaceDiscrete State-Space：离散状态空间系统模型：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-FcnDiscrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型：离散传递函数模型Discrete Zero-PoleDiscrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型：以零极点表示的离

27、散传递函数模型First-Order HoldFirst-Order Hold：一阶采样：一阶采样(ci yn)(ci yn)和保持器和保持器Zero-Order HoldZero-Order Hold：零阶采样：零阶采样(ci yn)(ci yn)和保持器和保持器Unit DelayUnit Delay：一个采样：一个采样(ci yn)(ci yn)周期的延时周期的延时第31页/共53页第三十二页，共54页。（3 3） Math Operations Math Operations （数学模块）（数学模块） SumSum：加减运算：加减运算ProductProduct：乘运算：乘运算Dot

28、ProductDot Product：点乘运算：点乘运算GainGain：比例运算：比例运算Math FunctionMath Function：包括指数函数、对数函：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数数、求平方、开根号等常用数学函数Trigonometric FunctionTrigonometric Function：三角函数，包：三角函数，包括正弦括正弦(zhngxin)(zhngxin)、余弦、正切等、余弦、正切等MinMaxMinMax：最值运算：最值运算AbsAbs：取绝对值：取绝对值SignSign：符号函数：符号函数第32页/共53页第三十三页，共54页。（4

29、 4）Signal Routing Signal Routing In1In1：输入端。：输入端。Out1Out1：输出端。：输出端。MuxMux：将多个单一输入转化为一个复合输出。：将多个单一输入转化为一个复合输出。DemuxDemux：将一个复合输入转化为多个单一输：将一个复合输入转化为多个单一输出。出。GroundGround：连接：连接(linji)(linji)到没有连接到没有连接(linji)(linji)到的输入端。到的输入端。TerminatorTerminator：连接：连接(linji)(linji)到没有连接到没有连接(linji)(linji)到的输出端。到的输出端。S

30、ubSystemSubSystem：建立新的封装（：建立新的封装（MaskMask）功能模）功能模块块第33页/共53页第三十四页，共54页。（5 5）SinksSinks（接收器模块）（接收器模块） ScopeScope：示波器。：示波器。XY GraphXY Graph：显示：显示(xinsh)(xinsh)二维图二维图形。形。ToTo Workspace Workspace：将输出写入：将输出写入MATLABMATLAB的工作空间。的工作空间。ToTo File(.mat) File(.mat)：将输出写入数据：将输出写入数据文件。文件。第34页/共53页第三十五页，共54页。（6 6）

31、SourcesSources（输入源模块）（输入源模块）ConstantConstant：常数信号。：常数信号。ClockClock：时钟信号。：时钟信号。From WorkspaceFrom Workspace：来自：来自MATLABMATLAB的工作空间。的工作空间。From File(.mat)From File(.mat)：来自数据文件。：来自数据文件。Pulse GeneratorPulse Generator：脉冲发生器。：脉冲发生器。Repeating SequenceRepeating Sequence：重复信号。：重复信号。Signal GeneratorSignal Gen

32、erator：信号发生器，可以产：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿生正弦、方波、锯齿(jch)(jch)波及随意波。波及随意波。Sine WaveSine Wave：正弦波信号。：正弦波信号。StepStep：阶跃波信号。：阶跃波信号。第35页/共53页第三十六页，共54页。例：已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数为试绘制(huzh)单位阶跃响应的实验结构图。sssG47. 410)(25、SIMULINK简单(jindn)仿真第36页/共53页第三十七页，共54页。（1）Creating an Empty Model第37页/共53页第三十八页，共54页。第38页/共53页第三十九页，共54页。（2）Adding Blocks第39页/共53页第四十页，共54页。第40页/共53页第四十一页，共54页。（3）SIMULINK仿真(fn zhn)的运行设置仿真参数和选择解法器：设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对