第３２卷第０２期 文章编号：１００６—９３４８（２０１５）０２—０２６１—０４ 计算机仿真 ２０１５年０２月 永磁同步电机的交流伺服控制系统仿真 刘丽伟，张小杰，丁圆圆，樊冰剑 （长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春１３００１２） 摘要：在交流伺服电机控制系统中，系统调节器的参数决定系统的动态性能，并且负载变动、对象参数变动对系统各环节都 有很大影响，使实际电机控制中参数的调节比较困难。针对此问题，通过对永磁同步电机（ＰＭＳＭ）数学模型的分析，根据实 际程序搭建了基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件的控制系统仿真模型。实验结果表明，上述模型在负载变动和对象参数变动 时，具有较好的鲁棒性和准确性，为实际ＰＷＳＭ控制系统的参数调节提供了很大的方便。 关键词：永磁同步电机；参数调节；电流环；伺服控制 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ——Ｆｌｏｗ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ａｎｄ Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｌｉ—ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｊｉｅ，ＤＩＮＧ Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ，ＦＡＮ Ｂｉｎｇ—ｊｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｔｈｅ ＡＣ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｒｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｌｏａｄ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ａｌｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ，ＳＯ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ （ＰＭＳＭ）ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｏｂｊｅｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｈａｎｇｅ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ；Ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｏｐ；Ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５的控制程序，对交流伺服系统进行建模和仿 １ 引言 现代交流伺服系统是一种复杂的非线性时变系统。应 用现代科学工具对交流伺服系统进行研究的重要手段之一 真，并将控制系统电流环模型和实验系统作一个对比，以验 证仿真的正确性和证明该仿真对调节实际参数有很大帮助。 就是对交流伺服系统的建模与仿真。系统建模可以超越理 想去模拟复杂的现实物理系统；而系统仿真则可以对照比较 各种控制策略和方案，优化系统的控制结构和系统参数。如 果能建立一种在控制算法、逆变器、电机模型和实验装置一 ２永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机电子定子三相对称绕组Ｕ、Ｖ、Ｗ，定子和 转子之间通过气隙磁场耦合。定转子与转子之间各个量的 电磁耦合关系复杂，给永磁同步电机的分析与控制带来不便 之处。为了简化分析，假设忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影 响，各绕组轴线在空间上互差１２０度电角度，永磁体没有阻 尼作用，电机电势正弦，在定，转子参考坐标系下，ＰＷＳＭ的 模型如图１． 样的仿真，就可以在仿真上进行参数调节和分析。 目前，对于永磁同步电机的仿真和建模都是在封装好的 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ库中直接调用的，跟实际的程序和算法有很 大差异，因此仿真调节器的参数和实际调节器参数没有任何 的联系。这样的仿真对实际参数的调节意义不大。 因此，本文通过对永磁同步电机数学模型的分析，基于 收稿日期：２０１４—０５—２１修回日期：２０１４—０６—０９ 通过对永磁同步电机的数学模型坐标变换，可以得到在 由坐标系的磁链、电压方程为 （１） Ｌ ＝Ｌｉ ｑ一２６】一 次数和降低用户费用等方面优于传统算法。 ｇｅｎｅｏｕｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ［ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ １ ８ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐｅｒｓｏｎａｌ，Ｉｎｄｏｏｒ ａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒａｄｉｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＰＩＭ ４结语 本文针对以往垂直切换决策算法的不足，提出了一种更 为客观科学的算法，该算法区分不同业务类型，并全面地考 ＲＣ’０７），Ａｔｈｅｎｓ Ｇｒｅｅｃｅ，Ｓｅｐｔ．２００７：９６—１０３． 杨剑波．多模智能终端在异构无线网络中的垂直切换技术研 究［Ｄ］．信息工程大学，２０１３． Ｗ Ｗａｎａｌｅｒｄａｋ，Ｂ Ｌｅｅ，Ｃ Ｙｕ，Ｍ Ｋｉｍ，Ｓ Ｍ Ｐａｒｋ ａｎｄ Ｗ Ｔ Ｋｉｍ． Ｂｅｈａｖｉｏｒ——ｂａｓｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｈａｎｄｏｆｆｓ ｉｎ ｎｏ－ 虑了影响网络选择的各种决策因素，提高了最终决策的准确 性。通过建模仿真分析对算法进行验证。由仿真结果比较 得出，新提出的算法提高了最优网络选择的可靠性与有效 ｂｉｌｅｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ｗｉｒｅ１．Ｎｅｔｗ．，２０１１，１７（３）：６４５ —６５８． 性，并兼顾了网络的系统性能，达到了资源的优化利用。同 时弥补了以往算法中赋权较为主观，对不确定性问题难以处 理，算法复杂度过高等不足。 参考文献： ［１］ Ａｂｕｂｅｋｅｒ Ａ Ｙｕｓｓｕｆ，Ｗａｎ Ｈ Ｈａｓｓａｎ，Ｓｉｎｚｏｂａｋｗｉｒａ Ｉｓｓａ．Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＶＨＤ Ａｐｒｏａｃｈｅｓ ｉｎ Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］． ２０１２ ２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍ— Ｒ Ｃｈａｋｒａｖｏｒｔｙ ｅｔ ａ１．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓｓｕｅｓ ｗｉｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｈａｎｄｏｖｅｒｓ ｅｘ— ｐｅｆｉｅｎｃｅｓ ｆｒｏｍ ＧＰＲＳ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｎｄ ＷＬＡＮ ｈｏｔ—ｓｐｏｔｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ［Ｃ］．２ｎｄ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉａ－ ｃａｔｉｏｎ，Ｏｒｌｎｄｏ ＵＳＡ，２００４：１５５—１６４ ａ３ＧＰＰ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ ＴＳ２３．１ ０７，Ｖ．４．０．０［Ｓ］．３ＧＰＰ． ＱＯＳ，Ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，２０００—１． ［作者简介］ 陈珏瑜（１９８９一），女（汉族），上海人，硕士研究生， 主要研究领域为移动通信。 ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＤＩＣＴＡＰ ２０１２，２０１２： ３６３—３６７． ［２］刘敏，李忠诚，过晓冰．一种基于速度感知的垂直切换算法 蔡家麟（１９６４一），男（汉族），上海人，副教授，硕士 研究生导师，主要研究领域为移动通信。 ［Ｊ］．电子学报，２００８，３０（６）：１１９８—１２０１． ［３］Ａ Ｓｅｒｒａｄｏｒ ａｎｄ Ｌ Ｍ Ｃｏｒｒｅｉａ．Ｐｏｌｉｃｉｅｓ ｆｏｒ ａ ｃｏｓｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｅｔｅｒｏ． （上接第２６４页） ［４］ 陈荣．永磁同步电机伺服系统电流环的仿真［Ｊ］．电机与控制 应用，２００８，３５（９）：２Ｏ一２５． 幅值均为都在１．２Ａ左右，相位相差１２０。的正弦波，验证了仿 真模型的正确性。 在仿真中，实际调节的参数是 ＝０．２５， ＝０，Ｋ ＝０。 在实际试验中得到的 ＝０．２３，Ｋｉ＝０．０５５， ＝０。从数据 ［５］ Ｌ Ｍ Ｇｒｚｅｓｉａｋ，Ｔ Ｔａｒｃｚｅｗｓｋｉ．ＰＭＳＭ ｓｅｌｖｏ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｓｔａｔｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｎｄ ａ ｌｏａｄ ｔｏｒｑｕｅ ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ［Ｊ］．ＣＯＭＰＥＬ：Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，３２ 上来看，仿真的ＰＩＤ和实验装置的ＰＩＤ参数基本相同，这样 可以通过仿真观察系统参数调节的趋势，并且运用到实际当 （１）：３６４—３８２． 中，加快运动控制的设计和调试。但是从波形图也可以看到 实测的波形有比较大的谐波，这是因为系统存在的摩擦力和 ［６］ 薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿真技术与应 用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． 。 ［７］Ｘ Ｗａｎｇ，Ｒ Ｎａ，Ｎ Ｌｉｕ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭ ｆｉｅｌｄ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＶＰＷＭ［Ｃ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｃｏｎ￣ｒ－ ｅｎｃｅ，２００９．ＶＰＰＣ ０９．ＩＥＥＥ．ＩＥＥＥ，２００９：１４６５—１４６９． 硬件上有些干扰造成的，尤其是输出的ＰＷＭ会干扰采集到 的ＡＤ数值。如果要得到和实验装置更加一致的仿真结果， 还要加上这些因素。 ［８］鲍建成．永磁同步电机ＰＩＤ参数优化研究［Ｊ］．计算机仿真， ２０１２—４：２４７—２５０． ４结束语 实验证明，在仿真模型中算法模块、逆变器、电机模型与 ［９］ 徐殿国，等．永磁同步电动机伺服系统控制策略综述［Ｊ］．伺 服控制，２００５，（１）：１６—２１． 实验装置一致的基础上，仿真结果和实验结果基本一致，建 立的交流伺服控制系统仿真模型正确可用。通过系统的仿 真观察系统的动态性能，对实际控制系统的参数的调试提供 了便利之处。 ［１０］ Ｂｉｍａｌ Ｋ Ｂｏｓｅ著，王聪译．现代电力电子学与交流传动［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２００４． ［作者简介］ 伟（１９７４一），女（汉族），吉林通化人，博士研 ．参考文献： ［１］ 陈荣．永磁同步电机控制系统［Ｍ］．北京：中国水利水电出版 社，２００８—２． 主要研究领域为模式识别和智能系统。 杰（１９８８一），男（汉族），河北邯郸人，硕士研 ．主要研究领域为电力电子和自动控制。 ［２］舒志兵．交流伺服运动控制系统［Ｍ］．北京：清华大学出版 社．２００６． 圆（１９８８一），女（汉族），山东菏泽人，硕士研 图像处理和模式识别。 ［３］Ｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ｃｌａｒｋｅ＆Ｐａｒｋ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ ｏｎ ｔｈｅ ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘｘ ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｐｏｒｔ ＢＰ—ＲＡ，１９９６，４８． 樊冰剑（１９８８一），男（汉族），山东泰安人，硕士研究生，主要研究领 域为现在电子变换应用研究。 ３０１．．．．—— －－－－——