新型伺服控制系統(tǒng)的建模仿真與分析

摘 要： 分析了伺服控制系統(tǒng)的工作原理，提出一種新型伺服控制系統(tǒng)建模方法。在Matlab/Simulink環(huán)境下采用模塊化的方法構(gòu)建了系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制,并對該模型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性，驗(yàn)證了該方法的有效性，為實(shí)際伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)速提供了新的方法。
關(guān)鍵詞： 伺服系統(tǒng)；無刷直流伺服電機(jī)；數(shù)字控制；建模；Matlab仿真

近20年來，永磁無刷直流電機(jī)因其調(diào)速性能好、效率高、壽命長和控制靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、工業(yè)和家電等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和永磁無刷電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,特別是數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，推動了伺服電機(jī)控制技術(shù)向集成化和智能化的方向發(fā)展。
　　建立伺服控制系統(tǒng)的仿真模型可以大大提高伺服系統(tǒng)設(shè)計效率，及時驗(yàn)證控制算法的合理性，同時可以利用計算機(jī)調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，觀察系統(tǒng)在各種結(jié)構(gòu)和工況下的動態(tài)和靜態(tài)特性。多年來，國內(nèi)外在Matlab中對伺服電機(jī)仿真建模進(jìn)行了廣泛研究，并取得了很好的成績。基于目前伺服電機(jī)普遍采用的全數(shù)字控制系統(tǒng)，本文根據(jù)實(shí)際無刷直流電機(jī)DSP數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)模型。利用Matlab/Simulink的強(qiáng)大仿真功能，對傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)仿真模型作了改進(jìn)，提出了一種新的仿真模型，經(jīng)過仿真證明了該方法的有效性。
1 伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
無刷直流電機(jī)中的反電動勢為梯形波，包含很多高次諧波，并且電感為非線性，因此dq變換理論已經(jīng)不再適用［1］。本文采用無刷直流電機(jī)原有的相變量來建立模型,以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)星形連接為例，對無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性進(jìn)行分析。
假定：電機(jī)定子三相完全對稱，空間上相差120°電角度；電感、電阻參數(shù)完全相同；轉(zhuǎn)子磁場對稱分布；忽略電樞反應(yīng)；電機(jī)氣隙磁導(dǎo)均勻，磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗[2-4]。
由電機(jī)學(xué)知識可知，定子三相繞組的電壓方程可表示為：

式中，Ua、Ub、Uc和Un分別為三相端電壓和中點(diǎn)電壓；Ea、Eb、Ec為三相反電動勢；ia、ib、ic為三相繞組電流；R、L分別為三相電樞繞組電阻和電感；dt為時間微分。三相方波電流及反電動勢波形如圖1所示。

在電機(jī)運(yùn)行過程中，電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

2 伺服系統(tǒng)的建模仿真
國內(nèi)外在對無刷直流電機(jī)仿真建模方面進(jìn)行了廣泛的研究[5-6]，采用了如下建模方法：(1)根據(jù)能夠反映轉(zhuǎn)子位置變化的繞組電感模塊來獲得反電動勢波形，但這種方法對小電樞電感電機(jī)的建模并不可用。因?yàn)?，如果電機(jī)的相電感極小，則轉(zhuǎn)子的位置變化引起的電感變化量就可以忽略不計，從而無法建立模型。(2)采用有限元和FFT法來獲得精確的反電動勢波形，但結(jié)合整個控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，仿真速度會大大降低。(3)采用分段線性等方法[7]。但這些方法中電機(jī)的換相大都采用電流滯環(huán)控制，只適用于理論研究，具體實(shí)現(xiàn)時成本較高，開關(guān)噪聲大。從仿真結(jié)果看，上述模型還多屬于模擬控制系統(tǒng)，并不適用于目前的全數(shù)字控制系統(tǒng)[8,10]。
本文采用無刷直流電機(jī)DSP控制系統(tǒng)構(gòu)建模。實(shí)際系統(tǒng)采用TMS320LF2812作為主控制器；IR2130作為三相逆變橋的驅(qū)動芯片；MOSFET管組成三相逆變橋,對直流電源輸出的母線電流進(jìn)行采樣；DSP輸出的PWM信號對電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案，根據(jù)模塊化建模思想，可將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨(dú)立的子模塊，如圖2所示。

采用Matlab作為仿真工具，其中的Simulink是用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。運(yùn)用其內(nèi)部豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算邏輯模塊和電力電子模塊，能建立精確的無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)模型。圖3所示為在Simulink中構(gòu)建的整個電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型，主要包括無刷直流電機(jī)模塊、三相逆變橋模塊、邏輯換相模塊和控制模塊。

2.1 無刷直流電機(jī)仿真建模
構(gòu)建無刷直流電機(jī)仿真模型是數(shù)字控制系統(tǒng)最核心的工作。電機(jī)模型采用Simulink子系統(tǒng)封裝技術(shù)，將電機(jī)各個模塊集成在子模型中，并通過子系統(tǒng)封裝對話框輸入電機(jī)仿真參數(shù)。這樣能增強(qiáng)模型整體可讀性和靈活性，便于在仿真前修改各種電機(jī)參數(shù)，從而可以更加直觀地比較不同參數(shù)下無刷電機(jī)控制系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果。
另外，結(jié)合各類運(yùn)算模塊和電力電子模塊，采用S-函數(shù)建立無刷直流電機(jī)仿真模型。這種建模方法不僅加快了仿真速度，而且由于結(jié)合了C語言的優(yōu)勢，從而更容易實(shí)現(xiàn)模塊的功能。如圖4所示，此模塊包括電機(jī)速度和轉(zhuǎn)子位置2個輸入、9個輸出信號,分別是三相反電動勢信號、霍爾信號和三相電壓輸入使能信號。電機(jī)轉(zhuǎn)子在一個電角度周期內(nèi)可分為6個狀態(tài)，在不同狀態(tài)下，由S-函數(shù)輸出不同狀態(tài)值。這種方法克服了在傳統(tǒng)電機(jī)模型中采用相繞組反電動勢時需要削去頂部的正弦波來代替梯形波的缺點(diǎn)，使仿真模型更接近電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況。

2.2 邏輯換相模塊仿真建模
邏輯換相模塊的作用是將無刷直流電機(jī)輸出的三相位置信號A、B、C，以及由速度控制模塊輸出的PWM信號，轉(zhuǎn)換為決定逆變器6個開關(guān)管120°導(dǎo)通的信號T1~T6和控制速度的脈沖信號，使定子繞組按一定的順序進(jìn)行換流。如圖4所示，三相逆變橋采用上管調(diào)制方式，輸出信號T1、T3和T5用來控制三相逆變器上側(cè)功率管的通斷，T2、T4和T6用來控制三相逆變器下側(cè)功率管的通斷。其邏輯關(guān)系式如下：

2.3 三相橋式逆變器模塊仿真建模
采用Power Electronics模塊庫中的MOSFET功率管和直流電源模塊，可以構(gòu)建三相橋式逆變器的模型，輸出無刷直流電機(jī)所需的三相電壓信號。三相逆變橋仿真模型如圖5所示,封裝后的模型如圖2中的逆變模塊。仿真前，必需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中的功率管的工作特性，對逆變橋中的開關(guān)管導(dǎo)通壓降、續(xù)流二極管導(dǎo)通電阻和寄生電容等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,以便能夠得到正確的仿真結(jié)果。

2.4 控制模塊仿真建模
根據(jù)無刷直流電機(jī)全數(shù)字控制方法構(gòu)建出的數(shù)學(xué)模型如圖6所示。由于轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都是以參考值與反饋值的偏差作為輸入,經(jīng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)整后生成PWM占空比，故可直接調(diào)用Simulink中的Discrete PID Controller模塊作為轉(zhuǎn)速和電流數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。為使仿真模型更具有實(shí)用性，仿真前應(yīng)先將各種參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP中相應(yīng)的內(nèi)存值或寄存器值，然后通過子系統(tǒng)封裝對話框設(shè)置PID參數(shù)、調(diào)節(jié)器周期和最大飽和輸出等。

3 仿真分析
仿真時PID參數(shù)的選取對控制系統(tǒng)很重要，應(yīng)綜合PID 3個參數(shù)變化所帶來的影響，具體操作可以按先比例后積分再微分的順序調(diào)試參數(shù)。無刷直流電機(jī)參數(shù)為：定子相繞組電阻0.5 ?贅；轉(zhuǎn)動慣量0.089 kg·m2；極對數(shù)4；直流電源200 V;電感1.76 mH；額定轉(zhuǎn)速1 500 rad/min。無刷直流電機(jī)采用兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)星形連接方式，每隔60°電角度換相1次，每個功率管通電120°，每個繞組通電240°，其中正向和反向各通電120°。
為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，電機(jī)空載起動，給定轉(zhuǎn)速為500 rad/min，在系統(tǒng)運(yùn)行0.5 s時加入負(fù)載。得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、三相反電動勢和相電流仿真曲線如圖7~圖9所示。

由仿真波形可看出，在參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快且平穩(wěn)，圖7中相電流和三相反電動勢波形與圖1中的理論波形完全相符,并且根據(jù)圖中電機(jī)起動階段的反電動勢波形，可以得出電機(jī)的每次換相時間，使得無刷直流電機(jī)的仿真模型具有很好的指導(dǎo)作用，方便了實(shí)際系統(tǒng)的分析和設(shè)計。
仿真結(jié)果表明,起動階段由于系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，不會產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩脈動和相電流沖擊。在圖9中可以看到，當(dāng)t=0.5 s突加負(fù)載時，轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生波動，這主要是由電流換向引起的，但能夠迅速恢復(fù)到平穩(wěn)運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時無靜差。仿真試驗(yàn)表明了本文所提出的這種新型直流電機(jī)模型的有效性及控制系統(tǒng)的合理性。

本文在分析直流無刷電機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的基于Matlab/Simulink的直流無刷控制系統(tǒng)建模仿真方法，該模型采用經(jīng)典的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制方法進(jìn)行了測試。仿真結(jié)果表明，其模型的輸出波形與理論分析相吻合，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，具有良好的靜、動態(tài)特性。采用該仿真模型可以靈活地實(shí)現(xiàn)各種控制算法和控制策略，能有效地節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計周期，加快實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試進(jìn)程，為分析和設(shè)計直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個理想的實(shí)驗(yàn)平臺，也為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。
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