基于MATLAB的伺服压力机控制系统仿真研究

matlab

第35卷第5期Vol 35 No

5

2010年10月

Oct.2010

基于MATLAB的伺服压力机控制系统仿真研究

曾辉雄,叶春生,莫健华,樊自田

(华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)

摘要:对曲柄滑块伺服压力机的机构运动和伺服电机的控制系统进行仿真研究,通过机构运动的仿真得到滑块的运动行程曲线,而电机部分的仿真主要基于对永磁同步电机的矢量控制原理进行分析与数学建模。利用Matlab/Simulink平台搭建仿真模型进行仿真实验,验证了所建模型系统符合永磁同步电机的运行特性。最后利用仿真模型给予电机不同的转矩进行仿真实验以获得不同的响应曲线,通过分析电机特性曲线来优化电机的控制策略,进而提高压力机的工作性能。

关键词:伺服压力机;永磁同步电机;Matlab/Simulink;仿真DOI:10 3969/j issn 1000 3940 2010 05 016

中图分类号:TG375 文献标识码:A 文章编号:1000 3940(2010)05 0069 07

SimulationofservopresscontrolsystembasedonMATLAB

ZENGHui xiong,YEChun sheng,MOJian hua,FANZi tian

(StateKeyLaboratoryofMaterialProcessandDieandMouldTechnology,HuazhongUniversityof

ScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Themechanicalmotionsimulationofcrank sliderservopressandthecontrolsystemsimulationofservomo torwerecarriedon.Themechanicalmotionsimulationwascarriedouttoobtainthemotioncurvesoftheslider,andthemotorsimulationwasmainlybasedontheanalysisandmathematicalmodelingofvectorcontroltheoryofPerma nentMagnetSynchronousMotor(PMSM).Matlab/Sinulinkwasusedtobuildthesimulationmodel.ThesimulationresultsindicatethatthemodelsystemisinaccordwiththePMSM.Intheend,differentresponsecurveswereobtainedbygivingthemotordifferenttorques,thecontrolstrategyofservomotorcanbeimprovedviatheanalyseofcurves,andthentheworkingperformanceofservopresscanbealsoimproved.Keywords:servopress;PMSM;Matlab/Simulink;simulation

伺服压力机经过近十几年的快速发展已大有取代传统机械压力机的趋势,其主要优势体现在高效性、高精度、高柔性、低噪声、节能环保等特点上。伺服压力机的技术关键在于伺服电机的功率与控制系统,随着现在电机技术、控制技术等支撑技术的快速发展,交流永磁伺服系统的性能日渐提高,价格趋于合理。而交流永磁伺服电机(PMSM)具有惯性低、响应快、低损耗、可靠性高等优势,已逐渐取代直流伺服电机在高精度、高性能要求的伺服驱动系统中得到广泛应用[1 2]。表面式永磁同步伺服电机(SPMSM)由于系统的位置和速度难以估算,理论研究与实际应用能力还有待提高。本文借助Matlab/Simulink强大的仿真建模能力,得到无负载时曲柄连杆压力机在不同扭矩驱动下滑块的行程

收稿日期:2010 04 21;修订日期:2010 08 26基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875093)作者简介:曾辉雄(1985-),男,硕士电子信箱:jagict@qq com

曲线,并利用PMSM矢量控制理论建立仿真模型对电

机进行仿真研究,改善对伺服电机的控制,从而改善电机对曲柄的驱动,提高伺服压力机的工作性能。

1 压力机结构与电机控制理论

1 1 伺服压力机结构

本文仿真的伺服压力机为曲柄连杆 滑块结构,如图1所示。曲柄由伺服电机驱动,通过连杆带动滑块做上下运动。1 2 PMSM的控制理论

永磁同步伺服电机的矢量控制原理和空间电压脉宽调制(SVPWM)技术使其能够达到高精度、高动态性能,可进行大范围调速或定位控制。矢量控制是建立在坐标变换理论下的控制方法,PMSM在d、q坐标系下的数学模型为[3 4]:

id=-id+pn rqiq+ddtLdLdLd

q=pn rdd-iq- r+uq

fpn

qqLq

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70锻 压 技 术 第35卷

经逆变器控制电机的转速和转矩,从而构成一个完整的反馈控制系统。

矢量控制中用到的坐标变换有Clark变换、Park变换和Park反变换,其变换公式为:

Clark变换:

i!i=

31-0

22

--22i!iidiiaibic

Park变换:

id

iq

图1 曲柄滑块机构运动简图

Fig 1 Mechanismmotionofcrank sliderpress

=

cos sin-sin coscos -sinsin

cos Park反变换:

i!iq

=

rnfqr =[ i-(Lq-Ld)idiq]- -Tdt2JJJ

2 仿真模型的建立

2 1 压力机运动机构仿真

利用Matlab/Simulink里的SimMechanics模块库提供的模块搭建图1所示的压力机运动机构模型,所建仿真模型如图3所示。在对话框Configuration

Parameters的子选项SimMechanics里勾选上 An imatemachineduringsimulation ,仿真时就可以看到运动机构的简易动画演示[6]。

仿真中曲柄的驱动若为一恒定的力矩,所得滑块行程的曲线s如图4所示。从图中可知,滑块的行程曲线类似锯齿波,其周期缩短是因为力矩的恒定。当驱动为正弦波等变化的力矩时,路径曲线在靠近上、下死点时稍有变化,这是由于正弦波幅值变小、曲柄滑块自身重量等客观因素的存在,使曲柄转矩不足而出现转速过慢甚至反转等情况。在实际生产中情况将更加复杂,只有给予适当的驱动控制才能使压力机有较好的工作状态。而实际生产中驱动装置主要为伺服电机,伺服电机对曲柄的驱动有多种方式,其技术关键在于控制系统。下面利用矢量控制理论对永磁同步电机的控制系统展开仿真研究。2 2 PMSM控制系统仿真

根据图2所示的永磁同步电机矢量控制原理搭建仿真模型步骤如下:

(1)坐标变换模块

以Park反变换为例,仿真模型如图5所示。(2)SVPWM模块

SVPWM模块主要是使电机获得幅值恒定的圆,交流

式中:ud、uq分别为d和q轴上的电压;id、iq分别为d和q轴上的电流;Ld、Lq分别为d和q轴上的电感;R为定子绕组的电阻; f为永磁体的主磁链; r为转子的角速率;pn为电机极对数;B为粘滞摩擦系数;J为转动惯量;Tq为电机曲柄扭矩。

在表面式永磁同步电机(SPMSM)中,id=0,Ld=Lq。因此,电磁转矩与iq成正比,只要控制电

流就能达到控制转矩的目的。

PMSM转子磁场速度控制原理如图2所示

[5]

。

其工作原理大致概括为:通过光电编码器测出电机转子的位置,将其转换成转速 r和角度 r,作为反馈给予初始转速和电流。定子三相电流iabc经检测电路取得后通过Clark变换到! 直角坐标系,再经Park变换到dq旋转坐标系反馈给初值,通过PI调节器获得理想的控制量后信号再经PARK反变换,由SVPWM计算产生6路PWM信号(电压信号)

图2 PMSM转子磁场速度控制原理

Fig 2 RotorspeedcontrolprincipleofPMSM

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第5期曾辉雄等:基于MATLAB的伺服压力机控制系统仿真研究 71

图3 压力机结构仿真模型Fig 3 Modelofpressmachanism

motion

图4 滑块行程的路径Fig 4 Slider strokecurve

图5 Park反变换仿真模型

电机内产生理想的圆形磁链并且以此磁链为基准,

Fig 5 ModelofParkinversetransformation

通过逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近而三相电压A、B、C在空间互差120!,可根据矢基准圆形磁链,从而使电机达到较高的控制性能[7]

。

量V!、V 的大小关系判断扇区。当V!>0时,令(3)扇区选择

逆变器共有8种工作状态,取其中6个非零的A=1,否则A=0;3V!-V >0时,令B=1,否开关状态,可得到6个均匀分布的空间电压矢量。

则B=0;当-3V!-V >0时,令C=1,否则C=0。取扇区号N=A+2B+4C,其仿真模型见图6。

图6 扇区号N仿真模型

6

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72锻 压 技 术

表1 T1和T2赋值表Table1 ValuesofT1,T2

第35卷

(4)计算X,Y,Z和T1,T2

用T1,T2来表示不同矢量的作用时间。令X=2V!TS/2Udc,Y=

(3V!+V )TS/2Udc,Z=

扇区号T1T2

-ZY

#Y-X

ZX

%-X-Z

&X-Y

-YZ

(3V!-V )TS/2Vdc。式中,Udc为直流电压300V。对于不同扇区的T1、T2,按表1取值。若T1+T2>TS,则T1=

1S2S

,T2=。其中,

T1+T2T1+T2

基于以上分析,T1与T2的仿真模型如图7

所

示。

TS为SVPWM的周期0 1ms。

图7 T1与T2的仿真模型Fig 7 ModelofT1,T2

(5)计算矢量切换点Tcm1、Tcm2、Tcm3

由Ta=Tb+

S12,Tb=Ta+T1,Tc=

42

T2,在不同扇区内对Tcm1,Tcm2和Tcm3进行2

[8 10]

赋值,见表2。

表2 Tcm1,Tcm2和Tcm3赋值表Table2 ValuesofTcm1,Tcm2,Tcm3

扇区号Tcm1Tcm2Tcm3

TbTaTc

#TaTcTb

TaTbTc

%TcTbTa

&TcTaTb

TbTcTa

Tcm1,Tcm2,Tcm3的仿真模型如图8所示。(6)生成PWM波形

将Tcm1,Tcm2和Tcm3的值与设定幅值的等腰三角形波进行比较,就可以得到空间矢量对称的PWM波形。PWM2,PWM4,PWM6是由PWM1,PWM3,PWM5通过非运算得到的。生成6路PWM波形的仿真模型如图9所示。

将以上各个子模块整合搭建成完整的SVPWM系统,仿真模型如图10所示。

(7)SPMSM整体仿真模型

图8 Tcm1,Tcm2和Tcm3的仿真模型Fig 8 ModelofTcm1,Tcm2,Tcm3

模块和PermanentMagnetSynchronousMachine电机模块,整合搭建的SPMSM矢量控制闭环系统如图11所示。

3 仿真结果及其分析

对图11所建立的模型进行仿真实验,验证所建模型的有效性。电机相关仿真参数为:pn=4,R=0f0Lq 002075H,

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第5期曾辉雄等:基于MATLAB的伺服压力机控制系统仿真研究 73

图9 生成PWM仿真模型Fig 9 Modelofgetting

PWM

图10 SVPWM整体仿真模型Fig 10 ModelofSVPWM

J=0 0003617kg(m2,给定转速为20r(min-1,Udc=300V,TS=0 1ms。当转矩Tm=5N(m,信号为阶跃信号,t=0 01s时,电机启动后得到的三相电流、转矩和转速的波形如图12a~图12c所示。从仿真得出的波形可以看出,电机的转速、转矩和三相电流在短时间内即达到稳定,说明此控制系统响应好,能平稳运行。

当给予电机的转矩信号为正弦波信号,峰值为6,频率为8rad(s时,电机三相电流、转矩和转速的波形如图13a~图13c所示。虽然电流的幅值,-1

120!的要求。若给予的正弦波信号频率过大,电机三相电流不只幅值相差很大,相位角也不能满足要求,这对电机的伤害很大。

当给予电机的转矩信号为斜坡信号,起始值为-6,而终止值为6时,电机三相电流、转矩及转速的波形如图14a~图14c所示。从仿真结果可知,给予电机的转矩越平稳,过渡越好,电机的运行将越稳定可靠。

4 结语

)))

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74锻 压 技 术 第35卷

图11 SPMSM整体仿真模型Fig 11 ModelofSPM

SM

图12 当转矩为阶跃信号时三相电流、转矩、转速仿真波形

(a)三相电流

(b)转矩

(c)转速

Fig 12 Simulationcurvesofthree phasecurrent、torqueand

speedwhentorqueisofstepsignal

(a)Three phasecurrent

(b)Torque

(c)Speed

图13 当转矩为正弦波信号时三相电流、转矩、转速仿真波形

(a)三相电流 (b)转矩 (c)转速

Fig 13 Simulationcurvesofthree phasecurrent、torqueand

speedwhentorqueisofsinesignal

cur (c)Speed

伺服电机的控制展开仿真研究,主要对PMSM矢量

控制原理及算法进行分析,并基于Matlab/Simu

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第5期曾辉雄等:基于MATLAB的伺服压力机控制系统仿真研究 75

及分析可以看到,此伺服电机仿真控制系统不但具有良好的静、动态特性,运行平稳可靠,而且能帮助模拟电机运行、改善对电机的控制;另一方面结合运动机构的仿真可以直观的得到曲柄滑块的运动情况,通过优化曲柄的转动控制以达到理想的控制效果,从而提高压力机的工作效率和性能。本文为实际生产中对伺服压力机的设计和调试提供了参考依据。

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[8] 王成元.矢量控制交流伺服驱动电动机[M].北京:机械

工业出版社,1994.

图14 当转矩为斜坡信号时三相电流、转矩、转速仿真波形

[9] 李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出

(a)三相电流

(b)转矩

(c)转速

Fig 14 Simulationcurvesofthree phasecurrent、torqueand

版社,2002.

speedwhenthetorqueisoframpsignal

[10] 李峰.基于DSP的SVPWM调制技术的研究[J].电气传

(a)Three phasecurrent

(b)Torque

(c)Speed

动自动化,2005,(4):1 5.

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