PMSM伺服控制系统仿真分析

3.3 3.3 变流技术变流技术 3.3.1 PWM3.3.1 PWM控制原理控制原理3.3.2 PWM3.3.2 PWM控制技术控制技术3.4 PMSM3.4 PMSM伺服控制系统仿真分析伺服控制系统仿真分析控制功率半导体器件的开、关控制功率半导体器件的开、关 控制由电源送至负载的功率；控制由电源送至负载的功率；功率半导体器件当开关使用功率半导体器件当开关使用 频率高、响应快、损失小。频率高、响应快、损失小。3.3.1 PWM控制原理(1)3.3 3.3 变流技术变流技术AC-DCDC-AC3.3.1 PWM控制原理(2)PWM控制的思想源于通信技术，PWM PWM(Pulse Width(Pulse Width Modulation)Modulation)控制就是脉宽调制技术脉宽调制技术：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面积等效原理冲量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)i(t)实例实例以上实例说明了以上实例说明了“面积等效原理面积等效原理”电路输入：电路输入：e(t)电路输出：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)SPWMSPWM波波若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按波幅值，按同一比例同一比例改改变各脉冲宽度即可。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，因此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 dOtU dO-U dU dwtwt3.3.1 PWM控制原理(6)等幅等幅等幅等幅PWMPWMPWMPWM波波波波(输入电源是恒定直流）输入电源是恒定直流）不等幅不等幅不等幅不等幅PWMPWMPWMPWM波波波波（输入电源是交流（输入电源是交流 或不是恒定的直流）或不是恒定的直流）直流斩波电路直流斩波电路(DC/DC)PWMPWM逆变电路逆变电路(DC/AC)斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路基于基于面积等效原理面积等效原理进行控制，本质是相同的进行控制，本质是相同的w wt3.3.1 PWM控制原理(7)PWMPWMPWMPWM电流波电流波电流波电流波电流型逆变电路进行电流型逆变电路进行PWMPWM控制，得到的就是控制，得到的就是PWMPWM电流波电流波 PWM PWM PWM PWM波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形波形可等效的各种波形直流斩波电路直流斩波电路直流波形直流波形SPWMSPWM波波正弦波形正弦波形等效成等效成其他所需波形其他所需波形，如，如:l 所需波形所需波形l 等效的等效的PWMPWM波波基于基于“面积等效原理面积等效原理”3.3.1 PWM3.3.1 PWM控制原理控制原理(8)(8)目前中小功率的逆变电路几乎都采用目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWMPWM技术技术逆变电路是逆变电路是PWMPWM控制技术最为重要的应用场合控制技术最为重要的应用场合PWMPWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的目前实用的PWMPWM逆变电路几乎都是电压型电路逆变电路几乎都是电压型电路3.3.2 PWM3.3.2 PWM控制技术控制技术根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWMPWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通 断，就可得到所需断，就可得到所需PWMPWM波形波形本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化 时，结果都要变化时，结果都要变化1 1、计算法、计算法3.3.2 PWM3.3.2 PWM控制技术控制技术2 2、调制法、调制法把希望输出的波形作调制信号，通过对此把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波信号波的调制的调制 得到所期望的得到所期望的PWMPWM波；波；采用等腰三角波或锯齿波作为采用等腰三角波或锯齿波作为载波，载波，等腰三角波应用最多，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；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，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，符合就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWMPWM的要求；的要求；调制信号波为正弦波时，得到的就是调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWMSPWM波；调制信号波；调制信号 是其他所需波形时，也能得到等效的是其他所需波形时，也能得到等效的PWMPWM波。波。为了得到为了得到SPWMSPWM波形，采用波形，采用正弦波作为基准波信号与正弦波作为基准波信号与载波信号比较的方法。载波信号比较的方法。3 3、正弦波脉宽调制（、正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）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控制下的输出波形控制下的输出波形调制方法：调制方法：4 4、空间矢量脉宽调制、空间矢量脉宽调制（SVPWMSVPWM）(1)基本电压矢量及用基本矢量表示的空间电压矢量基本电压矢量及用基本矢量表示的空间电压矢量 五段法五段法 1 1、控制系统、控制系统CADCAD 控制系统控制系统CADCAD技术是对复杂控制系统进行分析和设计的重要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，这个过程是标，这个过程是设计实验修改设计再实验设计实验修改设计再实验的过程。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。础，借助计算机对控制系统的动态特性进行实验研究。控控制制系系统统的的计计算算机机仿仿真真是是控控制制系系统统的的计计算算机机辅辅助助设设计计的的一一个个部部分分。这这一一过过程程包包括括：建建立立数数学学模模型型；根根据据性性能能指指标标和和控控制制算算法法编编程程求求解解控控制制器器参参数数；对对系系统统校校正正前前后后进进行行仿仿真真，并并验验证证控控制制器器的的实实际际控控制制效效果果；修修改改控控制制器器参参数数或或结结构构，直直到到仿仿真真结结果果满足设计要求。满足设计要求。2 2、控制系统仿真、控制系统仿真 3.4 PMSM3.4 PMSM伺服控制系统仿真分析伺服控制系统仿真分析3 3、MATLABMATLAB简介简介MATLABMATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语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。言，它提供了各种矩阵的运算操作，并具有较强的绘图功能。v语言简洁紧凑，使用方便灵活。语言简洁紧凑，使用方便灵活。例例如如：A=1 A=1 2 2 3;4 3;4 5 5 6;7 6;7 8 8 99一一条条语语句句实实现现了了对对3x33x3矩矩阵阵的的输入。输入。v数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。例如：例如：polyder(b)polyder(b)%求多项式求多项式b b的微分的微分v运算符丰富。运算符丰富。例如：例如：C=A*B%C=A*B%矩阵的乘法，矩阵的乘法，x=Abx=Ab%求求AxAxb b的最小二乘解的最小二乘解vMatlabMatlab既既具具有有结结构构化化的的控控制制语语句句（ifif、forfor、whilewhile）又又支支持持面向对象的程序设计。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。语法限制不严格，程序设计自由度大。v程序的可移植性好。程序的可移植性好。vMatlabMatlab的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方便的的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方便的显示程序的运行结果。显示程序的运行结果。v强大的工具箱。强大的工具箱。例如：控制领域可以使用的工具箱就有例如：控制领域可以使用的工具箱就有Control Control SystemSystem（控制工具箱）（控制工具箱）v源程序的开发性，系统的可扩充能力强。源程序的开发性，系统的可扩充能力强。vMatlabMatlab是解释执行语言。是解释执行语言。MatlabMatlab程序不用编译生成可执行文件就可以运行程序不用编译生成可执行文件就可以运行 MatlabMatlab集成环境的组成集成环境的组成 MatlabMatlab语言语言MatlabMatlab工作环境工作环境MatlabMatlab图形系统图形系统MatlabMatlab数学函数库数学函数库Matlab APIMatlab APIMatlabMatlab软件的启动软件的启动 MatlabMatlab软件的学习软件的学习MatlabMatlab软件的基本使用软件的基本使用命令窗口命令窗口 工作空间工作空间 历史命令历史命令 当前路径当前路径 SimulinkSimulink DemoDemo HelpHelpqSIMULINKSIMULINK是是MATLABMATLAB软件的扩展，它是实现动态系统软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与建模和仿真的一个软件包，它与MATLABMATLAB语言的主要区语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于别在于，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。系统模型的构建，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。与分析。4 4、SIMULINKSIMULINK1)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 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State-SpaceState-Space：线性状态空间系统模型：线性状态空间系统模型Transfer-FcnTransfer-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：输入信号延时一个可变时间再输出间再输出（2 2）离散模块（）离散模块（DiscreteDiscrete）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：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order HoldFirst-Order Hold：一阶采样和保持器：一阶采样和保持器Zero-Order HoldZero-Order Hold：零阶采样和保持器：零阶采样和保持器Unit DelayUnit Delay：一个采样周期的延时：一个采样周期的延时（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 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，：三角函数，包括正弦、余弦、正切等包括正弦、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（4 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：将多个单一输入转化为一个复合输出。合输出。DemuxDemux：将一个复合输入转化为多个：将一个复合输入转化为多个单一输出。单一输出。GroundGround：连接到没有连接到的输入端。：连接到没有连接到的输入端。TerminatorTerminator：连接到没有连接到的输：连接到没有连接到的输出端。出端。SubSystemSubSystem：建立新的封装（：建立新的封装（MaskMask）功能模块功能模块（5 5）SinksSinks（接收器模块）（接收器模块）ScopeScope：示波器。：示波器。XY GraphXY Graph：显示二维图形。：显示二维图形。To WorkspaceTo Workspace：将输出写入：将输出写入MATLABMATLAB的工作空间。的工作空间。To File(.mat)To File(.mat)：将输出写入数据文：将输出写入数据文件。件。（6 6）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的工作空的工作空间。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 Generator：信号发生器，可以：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine WaveSine Wave：正弦波信号。：正弦波信号。StepStep：阶跃波信号。：阶跃波信号。例：已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数为例：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。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 2）Adding BlocksAdding 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：设置仿真参数和选择解法器，选择设置仿真参数和选择解法器，选择SimulationSimulation菜单下的菜单下的ParametersParameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个命令，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。页面来管理仿真的参数。I.I.SolverSolver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解页，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。法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。II.II.Workspace I/OWorkspace I/O页，作用是管理模型从页，作用是管理模型从MATLABMATLAB工作空间的输入工作空间的输入和对它的输出。和对它的输出。III.III.DiagnosticsDiagnostics页，允许用户选择页，允许用户选择SimulinkSimulink在仿真中显示的警告在仿真中显示的警告信息的等级。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，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。真参数，启动仿真和仿真结果分析。SolverSolver设置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。法器，并设定它的参数；选择输出项。1)1)仿真时间：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，比如计算机仿真中对时间的一种表示，比如1010秒的仿真时间，如果秒的仿真时间，如果采样步长定为采样步长定为0.10.1，则需要执行，则需要执行100100步，若把步长减小，则采样步，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设为0 0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次，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。法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。2)2)仿真步长模式：仿真步长模式：用户在用户在TypeType后面的第一个下拉选项框中指定仿后面的第一个下拉选项框中指定仿真的步长选取方式，可供选择的有真的步长选取方式，可供选择的有Variable-stepVariable-step（变步长）和（变步长）和Fixed-stepFixed-step（固定步长）方式。变步长模式可以在仿真的过程（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。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。PMSMPMSM位置伺服系统矢量控制仿真结构图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