MSM伺服控制系统仿真分析.ppt

3 交流伺服运动控制建模及仿真,3.3 变流技术 3.3.1 PWM控制原理3.3.2 PWM控制技术3.4 PMSM伺服控制系统仿真分析,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 频率高、响应快、损失小。,3.3.1 PWM控制原理(1),3.3 变流技术,AC-DC,DC-AC,3.3.1 PWM控制原理(2),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的波形（含形状和幅值)。,重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,3.3.1 PWM控制原理(3),实例,以上实例说明了“面积等效原理”,电路输入：e(t),电路输出：i(t),e(t),3.3.1 PWM控制原理(4),如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,3.3.1 PWM控制原理(5),SPWM波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,3.3.1 PWM控制原理(5),对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,3.3.1 PWM控制原理(6),等幅PWM波(输入电源是恒定直流）,不等幅PWM波（输入电源是交流 或不是恒定的直流）,直流斩波电路(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,3.3.1 PWM控制原理(7),PWM电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波,PWM波形可等效的各种波形,直流斩波电路,直流波形,SPWM波,正弦波形,等效成其他所需波形，如:,所需波形,等效的PWM波,基于“面积等效原理”,3.3.1 PWM控制原理(8),目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路,3.3.2 PWM控制技术,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，就可得到所需PWM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、计算法,3.3.2 PWM控制技术,2、调制法,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。,为了得到SPWM波形，采用正弦波作为基准波信号与载波信号比较的方法。,3、正弦波脉宽调制（SPWM）,主电路示意图,三相逆变电路及SPWM控制下的输出波形,调制方法：,4、空间矢量脉宽调制（SVPWM）,(1)基本电压矢量及用基本矢量表示的空间电压矢量,五段法,1、控制系统CAD,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，这个过程是设计实验修改设计再实验的过程。,所谓控制系统的计算机仿真就是以控制系统的数学模型为基础，借助计算机对控制系统的动态特性进行实验研究。控制系统的计算机仿真是控制系统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,3、MATLAB简介,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，并具有较强的绘图功能。,语言简洁紧凑，使用方便灵活。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。数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。例如：polyder(b)%求多项式b的微分运算符丰富。例如：C=A*B%矩阵的乘法，x=Ab%求Axb的最小二乘解Matlab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。语法限制不严格，程序设计自由度大。,程序的可移植性好。Matlab的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方便的显示程序的运行结果。强大的工具箱。例如：控制领域可以使用的工具箱就有Control System（控制工具箱）源程序的开发性，系统的可扩充能力强。Matlab是解释执行语言。Matlab程序不用编译生成可执行文件就可以运行,Matlab集成环境的组成,Matlab语言Matlab工作环境Matlab图形系统,Matlab数学函数库Matlab API,Matlab软件的启动 Matlab软件的学习,Matlab软件的基本使用,命令窗口,工作空间,历史命令,当前路径,Simulink,Demo,Help,SIMULINK是MATLAB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MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows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型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK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。,4、SIMULINK,1)SIMULINK的主要模块,SIMILINK模块库按功能进行分类，主要包括以下子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Math Operations（数学模块）Signals Routing（信号流向模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）,（1）连续模块（Continuous）Integrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Memory：存储上一时刻的状态值Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出,（2）离散模块（Discrete）Discrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持器Unit Delay：一个采样周期的延时,（3）Math Operations（数学模块）Sum：加减运算Product：乘运算Dot Product：点乘运算Gain：比例运算Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值运算Abs：取绝对值Sign：符号函数,（4）Signal Routing In1：输入端。Out1：输出端。Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出。Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出。Ground：连接到没有连接到的输入端。Terminator：连接到没有连接到的输出端。SubSystem：建立新的封装（Mask）功能模块,（5）Sinks（接收器模块）Scope：示波器。XY Graph：显示二维图形。To Workspace：将输出写入MATLAB的工作空间。To File(.mat)：将输出写入数据文件。,（6）Sources（输入源模块）Constant：常数信号。Clock：时钟信号。From Workspace：来自MATLAB的工作空间。From File(.mat)：来自数据文件。Pulse Generator：脉冲发生器。Repeating Sequence：重复信号。Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine Wave：正弦波信号。Step：阶跃波信号。,例：已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数为试绘制单位阶跃响应的实验结构图。,5、SIMULINK简单仿真,（1）Creating an Empty Model,（2）Adding Blocks,（3）SIMULINK仿真的运行,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话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。,构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数，启动仿真和仿真结果分析。,Solver设置,此页可以进行的设置有：选择仿真开始和结束的时间；选择解法器，并设定它的参数；选择输出项。仿真时间：注意这里的时间概念与真实的时间并不一样，只是计算机仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。仿真步长模式：用户在Type后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定的步长，不提供误差控制和过零检测。用户还可以在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采用的算法。,PMSM位置伺服系统矢量控制仿真结构图,6、SIMPOWER对PMSM位置伺服系统控制仿真,