1、1 引言仿真是系統(tǒng)分析研究的重要手段，通過仿真，可以驗(yàn)證理論分析和設(shè)計的正確性，模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過程，分析系統(tǒng)特性隨參數(shù)的變化規(guī)律，描述系統(tǒng)的狀態(tài)與特性，探索設(shè)計結(jié)果是否滿足實(shí)際要求，也可討論系統(tǒng)穩(wěn)定性，研究系統(tǒng)控制參數(shù)、負(fù)載變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，研究控制方法和手段對系統(tǒng)性能的改善與提高。因此，仿真具有和實(shí)驗(yàn)相同的作用，并可避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性，完成無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或過程的仿真模擬。針對伺服系統(tǒng)，影響系統(tǒng)運(yùn)行的因數(shù)很多，如何在紛繁復(fù)雜的環(huán)境條件中尋找最優(yōu)的控制參數(shù)、采取合適的控制手段，是伺服系統(tǒng)設(shè)計與運(yùn)行中需要深入探討的問題，這些因數(shù)將影響到實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行及其對環(huán)境的適應(yīng)性

2、。摘 要：探討了永磁同步伺服系統(tǒng)仿真模型的建立，并在Simulink仿真環(huán)境中對伺服系統(tǒng)三閉環(huán)進(jìn)行仿真。分析了伺服系統(tǒng)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)工程設(shè)計結(jié)果與實(shí)際分析結(jié)果之間的差別，研究了三閉環(huán)的影響因素，以及這些因數(shù)變化時為實(shí)現(xiàn)優(yōu)異響應(yīng)性能各調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整方法、電流微分負(fù)反饋、速度微分負(fù)反饋控制策略的引入等。通過調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整、微分反饋的引入，伺服系統(tǒng)能夠具有優(yōu)異的響應(yīng)性能。 關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)、伺服系統(tǒng)、仿真、微分負(fù)反饋下面，根據(jù)實(shí)際永磁同步伺服系統(tǒng)構(gòu)成情況，討論基于Matlab軟件的仿真模型創(chuàng)建，并在Simulink環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析其仿真結(jié)果，從中找出系統(tǒng)的控制規(guī)律，

3、優(yōu)化系統(tǒng)的控制方法，分析系統(tǒng)的運(yùn)行特性，以便于系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)整與運(yùn)行。2 永磁同步伺服系統(tǒng)仿真模型的建立圖1的伺服系統(tǒng)為典型的電流、速度、位置三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)中各調(diào)節(jié)器、比較器、濾波器等均可在Simulink相應(yīng)工具箱中找到;PSB中有永磁同步電機(jī)模型，其參數(shù)在模型屬性中設(shè)定;電機(jī)電流、電壓測量模塊在PSB的Measurements工具包中;電機(jī)的綜合測量模塊Machine Measurement Demux可同時測量電機(jī)角速度、電樞電流、交直軸電流、電磁力矩、轉(zhuǎn)子位置角;系統(tǒng)的3/2、2/3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換借助于Fcn函數(shù)建立;系統(tǒng)中PWM逆變器借助于物理模型建立，將

4、電流調(diào)節(jié)器輸出和三角波比較，形成PWM信號，通過受控電壓源輸出電機(jī)端口三相電壓;電流給定和反饋均經(jīng)過一階環(huán)節(jié)濾波，以消除信號中高次諧波，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;系統(tǒng)所需各參量通過示波器得到。具體模型建立可參考有關(guān)文獻(xiàn)1，由此，構(gòu)成伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)見圖1。 圖1 交流永磁同步伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖2.1交流永磁同步伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)的建立圖1中，PWM逆變器是伺服系統(tǒng)關(guān)鍵部件，它完成控制信號到電機(jī)輸入電能的控制。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。（a）為PWM內(nèi)部結(jié)構(gòu)，（b）為dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到abc三相坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換。 圖2 交流永磁同步伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖2.2交流永磁同步伺服系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)的建立

5、圖2（a）中，前部將電流給定和反饋進(jìn)行濾波，送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出飽和環(huán)節(jié)表示調(diào)節(jié)器設(shè)有正反向輸出限幅。調(diào)節(jié)器輸出控制信號和三角波比較產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過受控電壓源（逆變器）加至電機(jī)端口。逆變器實(shí)際運(yùn)行時，為防止直通短路，上下管開關(guān)有控制死區(qū)，但在仿真時沒有考慮，故這和實(shí)際運(yùn)行情況有差別。圖1中，dq/abc 單元表示實(shí)現(xiàn)三相坐標(biāo)和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)公式（1），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2（b）。（1）3 伺服系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析3.1電流環(huán)的仿真與分析本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，速度環(huán)輸出就是轉(zhuǎn)矩電流，表示系統(tǒng)特定負(fù)載時對轉(zhuǎn)矩電流的要求。轉(zhuǎn)矩電流經(jīng)過2/3變換后給

6、出電機(jī)三相電流，由電流調(diào)節(jié)器完成各相電流的無差調(diào)節(jié)。那么，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)對電流動態(tài)響應(yīng)具有決定性的影響。按照伺服系統(tǒng)的實(shí)際連接構(gòu)成電流環(huán)動態(tài)仿真拓?fù)洌ο到y(tǒng)運(yùn)行的各種工況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，電流調(diào)節(jié)器放大系數(shù)越大，電流響應(yīng)越快，動態(tài)過程中電流跟蹤的誤差越小，但超調(diào)越嚴(yán)重;電流調(diào)節(jié)器零點(diǎn)越大，電流響應(yīng)越快，但電流響應(yīng)的振蕩次數(shù)增多，超調(diào)增加。對本系統(tǒng)而言，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)在2030，零點(diǎn)在5002500時，電流環(huán)可滿足階躍跟蹤響應(yīng)要求，調(diào)節(jié)器參數(shù)可在此范圍取值。一般來說，電流環(huán)按照調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法設(shè)計的參數(shù)偏于保守。而且，為簡便，設(shè)計時忽略反電勢對電流環(huán)的影響，其結(jié)果是電流跟蹤動態(tài)響應(yīng)因反

7、電勢的影響而緩慢，偏差較大。若在動態(tài)過程中，電機(jī)電流不能快速準(zhǔn)確跟蹤給定，系統(tǒng)便不能得到id=0的解耦控制，因此，需要根據(jù)仿真結(jié)果對電流調(diào)節(jié)器參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。然而，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)在該范圍取值時，響應(yīng)會出現(xiàn)振蕩與超調(diào)，調(diào)節(jié)器零點(diǎn)越大超調(diào)越嚴(yán)重，這是使用PI調(diào)節(jié)器并保證電流有較快響應(yīng)時所出現(xiàn)的必然現(xiàn)象。為抑制響應(yīng)超調(diào)，在電流反饋環(huán)中加入微分負(fù)反饋。對本系統(tǒng)，當(dāng)微分反饋控制增益在0.00060.001時，電流階躍響應(yīng)較好，電流響應(yīng)速度既快，又無振蕩超調(diào)，可在實(shí)際系統(tǒng)中加以引用。電流環(huán)仿真結(jié)果參數(shù)見表1所示2。表1 仿真所得電流調(diào)節(jié)器參數(shù)范圍 3.2速度環(huán)的仿真與分析為研究速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置

8、，按圖1對速度環(huán)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)空載時，調(diào)整速度調(diào)節(jié)器放大系數(shù)、積分系數(shù)，并對每種情況分別進(jìn)行仿真。為節(jié)省篇幅，圖3只給出比例放大系數(shù)為0.1（圖a）、0.5（圖b），積分系數(shù)從左到右分別為0.01、0.05、0.1、0.5幾種情況下速度階躍響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，空載時，速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為0.11，積分系數(shù)在0.010.1時系統(tǒng)具有比較好的速度階躍響應(yīng)，當(dāng)比例系數(shù)接近1時，速度階躍響應(yīng)會出現(xiàn)振蕩和超調(diào)。仿真還發(fā)現(xiàn)，空載時，速度調(diào)節(jié)器積分系數(shù)還可以減小，也可以滿足空載情況下速度階躍響應(yīng)要求，但積分系數(shù)太小，積分將不起作用，調(diào)節(jié)器便成為單比例調(diào)節(jié)。圖3 空載時速度調(diào)節(jié)器參數(shù)變動情況下的速度

9、階躍響應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器參數(shù)是按照線性型系統(tǒng)設(shè)計，在速度階躍過程中，調(diào)節(jié)器會出現(xiàn)飽和，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況和設(shè)計時所采用的線性對象具有很大的差別，調(diào)節(jié)器設(shè)計時初始條件和實(shí)際系統(tǒng)退飽和后調(diào)節(jié)器參與調(diào)節(jié)時初始條件有很大差別，因此，按照工程設(shè)計方法所設(shè)計的結(jié)果在實(shí)際系統(tǒng)中要做比較大的調(diào)整才可以滿足實(shí)際系統(tǒng)需要。所以調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法不適合于伺服系統(tǒng)速度環(huán)的設(shè)計，但該設(shè)計方法關(guān)于調(diào)節(jié)器的型式選擇仍然適用。系統(tǒng)突加額定階躍負(fù)載，在負(fù)載作用下，系統(tǒng)將產(chǎn)生動態(tài)與穩(wěn)態(tài)速度降落。根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)各種組合對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在比例系數(shù)為0.5左右，積分系數(shù)為0.1左右時，速度環(huán)具有比較好的速度階躍及抗

10、擾響應(yīng)性能。圖4只給出比例系數(shù)0.5，積分系數(shù)為0.001、0.01、0.1、0.5時的響應(yīng)情況。比較這幾種響應(yīng)情況可以看出，比例系數(shù)為0.5，積分系數(shù)0.1時速度響應(yīng)性能較好，與給定速度的靜差小。圖4 突加負(fù)載情況下速度調(diào)節(jié)器參數(shù)變動時的響應(yīng)從仿真結(jié)果可見，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，為獲得比較快的速度階躍響應(yīng)，保證速度環(huán)在任意負(fù)載情況下均具有良好的響應(yīng)性能，速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)可取0.5左右的數(shù)值，積分系數(shù)可取0.1左右的數(shù)值。另外，在所選取調(diào)節(jié)器參數(shù)情況下，速度階躍響應(yīng)過程中會出現(xiàn)振蕩和超調(diào)，這對伺服系統(tǒng)定位過程是不利的。速度超調(diào)是使用PI調(diào)節(jié)器并要求有快速響應(yīng)的必然結(jié)果，原因是調(diào)節(jié)

11、器要退出飽和，參與調(diào)節(jié)。此外，從速度振蕩部分看電流、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓波形，各波形上均有不同程度振蕩，說明系統(tǒng)響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性間的矛盾。調(diào)節(jié)器比例積分系數(shù)對系統(tǒng)速度響應(yīng)有著至關(guān)重要的影響。因此，在實(shí)際調(diào)整過程中，應(yīng)在快速性和穩(wěn)定性之間采取折衷。從仿真結(jié)果看，隨著調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)增加，速度響應(yīng)加快，超調(diào)增加;比例放大倍數(shù)減小，超調(diào)減小，甚至成為過阻尼響應(yīng)形式，響應(yīng)減緩。調(diào)節(jié)器積分系數(shù)影響著速度響應(yīng)的準(zhǔn)確度，空載時，積分系數(shù)可在較大范圍內(nèi)滿足速度調(diào)節(jié)的精度。負(fù)載擾動下，隨著調(diào)節(jié)器積分系數(shù)增加，速度響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差減小，電機(jī)的穩(wěn)速精度提高。為避免動態(tài)過程中的速度響應(yīng)振蕩與超調(diào)，在速度反饋回路中施加速度微

12、分負(fù)反饋，它和速度負(fù)反饋共同作用，實(shí)施對電機(jī)速度的動態(tài)調(diào)整。當(dāng)調(diào)節(jié)器比例積分系數(shù)不變（比例系數(shù)0.5，積分系數(shù)0.1），速度微分反饋系數(shù)為0、0.002、0.004、0.008時速度階躍響應(yīng)見圖5，由圖可見，微分反饋系數(shù)在0.0020.004范圍取值時，速度階躍響應(yīng)快且無速度超調(diào)。速度微分負(fù)反饋的引入，可以預(yù)測電機(jī)速度變化趨勢，符合現(xiàn)代控制的全狀態(tài)反饋控制，能夠有效地抑制速度超調(diào)。此外，系統(tǒng)加入速度微分負(fù)反饋后，速度調(diào)節(jié)器比例積分系數(shù)可變動范圍還可以擴(kuò)大，如微分系數(shù)取0.004時，速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)可以增大到原來的2倍而基本不出現(xiàn)速度響應(yīng)振蕩與超調(diào)，借助于比例系數(shù)增加，可以使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)

13、速精度。圖5 速度調(diào)節(jié)器參數(shù)不變而速度微分反饋系數(shù)變化時的速度階躍響應(yīng)保持調(diào)節(jié)器參數(shù)不變（比例系數(shù)0.5，積分系數(shù)0.1）, 微分反饋系數(shù)0.002，在對象轉(zhuǎn)動慣量從一倍、兩倍到三倍電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量變化時，電機(jī)速度階躍及負(fù)載突加時速度響應(yīng)見圖6所示。說明在此調(diào)節(jié)器參數(shù)及微分反饋系數(shù)情況下，對象轉(zhuǎn)動慣量變化時速度響應(yīng)可以滿足實(shí)際需要。仿真還發(fā)現(xiàn)，在該參數(shù)值時，對象轉(zhuǎn)動慣量從110倍電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量變化時，其速度響應(yīng)均具有比較好的性能。考慮到實(shí)際伺服系統(tǒng)控制對象轉(zhuǎn)動慣量一般不超過電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的十倍，因此所選參數(shù)可以滿足實(shí)際要求。實(shí)際上，隨著對象轉(zhuǎn)動慣量的增加，其對應(yīng)機(jī)電時間常數(shù)增加

14、，速度閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)減小，系統(tǒng)速度響應(yīng)變緩，但因本系統(tǒng)所選調(diào)節(jié)器比例系數(shù)較大，無微分反饋?zhàn)饔脮r速度響應(yīng)存在超調(diào)與振蕩。在微分反饋?zhàn)饔孟拢到y(tǒng)涵蓋的對象參量變化范圍可以較寬，即在所選參數(shù)情況下，系統(tǒng)可以適應(yīng)對象轉(zhuǎn)動慣量的變化。圖6 速度調(diào)節(jié)器參數(shù)不變而對象轉(zhuǎn)動慣量變化時的速度階躍響應(yīng)另外，速度環(huán)輸出的限幅數(shù)值也影響著電機(jī)的速度響應(yīng)，如圖7。圖中，速度調(diào)節(jié)器比例積分系數(shù)不變（比例系數(shù)0.5，積分系數(shù)0.2），速度調(diào)節(jié)器輸出限幅分別為額定轉(zhuǎn)矩60%、100%、150%時的速度階躍響應(yīng)，可見隨著調(diào)節(jié)器輸出限幅的增加，速度響應(yīng)加快，到達(dá)指定速度時的振蕩程度增加。輸出限幅數(shù)值決定電機(jī)在動

15、態(tài)過程中加速力矩的大小，影響電機(jī)在加減速過程中的加速度，影響系統(tǒng)速度響應(yīng)過程。其數(shù)值需要合適設(shè)置，應(yīng)該充分利用電機(jī)過載能力，提高電機(jī)速度響應(yīng)性能。同時，設(shè)置速度微分反饋，以抑制速度響應(yīng)超調(diào)。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)速度微分反饋系數(shù)取0.004時，在電機(jī)限幅力矩范圍內(nèi)均可有效地抑制速度響應(yīng)超調(diào)。根據(jù)仿真結(jié)果，速度環(huán)參數(shù)可取表2所示數(shù)值。 圖7 速度調(diào)節(jié)器參數(shù)不變而輸出限幅數(shù)值變化時的速度階躍響應(yīng)表2 仿真所得速度調(diào)節(jié)器參數(shù)范圍3.3位置環(huán)的仿真與分析系統(tǒng)位置環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計，參數(shù)滿足 ，目的是不希望出現(xiàn)位置響應(yīng)超調(diào)。按照位置環(huán)的設(shè)計分析，位置調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器。位置給定時

16、，位置調(diào)節(jié)器輸出有限幅，該值對應(yīng)系統(tǒng)電機(jī)所允許的速度限幅。速度限幅為2000r/min時，位置環(huán)響應(yīng)如圖8。圖8為單電機(jī)空載時位置響應(yīng)，左圖為按設(shè)計參數(shù)（KPW=0.743）運(yùn)行時的位置響應(yīng)，可見，此時響應(yīng)過程并非最優(yōu)。將調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)整到0.9，其位置響應(yīng)（中間圖）較好，定位與位置跟隨速度快且準(zhǔn)確。右圖為比例系數(shù)偏大（1.0）時的響應(yīng)，此時出現(xiàn)位置響應(yīng)超調(diào)。圖8 位置調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整時的位置響應(yīng)圖8中，上部兩曲線為電機(jī)速度與位置響應(yīng)，下為電機(jī)交軸電流波形。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量加倍，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)約為0.45時，位置響應(yīng)最優(yōu)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù)近似為圖8最優(yōu)響應(yīng)時比例系數(shù)的一半。電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量增

17、加到三倍時，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)約為0.3時，位置響應(yīng)最優(yōu)。電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量增加到四倍時，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)約為0.225時，位置響應(yīng)最優(yōu)。電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量增加到五倍時，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)約為0.18時，位置響應(yīng)最優(yōu)。由此可見，隨著電機(jī)軸聯(lián)轉(zhuǎn)動慣量增加，位置環(huán)為獲得最優(yōu)位置響應(yīng)，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)將成比例減小，仿真所得調(diào)節(jié)器比例系數(shù)值和計算值比較接近，見圖9所示。從圖可見，設(shè)計值和仿真值之間還有一些差值，這是因?yàn)樵谟嬎銜r，所采用的速度環(huán)等效慣性環(huán)節(jié)放大倍數(shù)偏大的緣故。工程設(shè)計時，將速度閉環(huán)用等效一階慣性環(huán)節(jié)來代替，由此實(shí)現(xiàn)位置環(huán)的工程設(shè)計。從工程設(shè)計到仿真分析，可以看出這種簡化等效可以滿足實(shí)際工程需要，其工程設(shè)計參數(shù)與

18、仿真結(jié)果接近，說明調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法可以應(yīng)用于位置環(huán)的工程設(shè)計。對象轉(zhuǎn)動慣量恒定，通過調(diào)整調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)，可以使系統(tǒng)位置環(huán)獲得優(yōu)異的響應(yīng)性能。系統(tǒng)獲得最優(yōu)位置響應(yīng)時，系統(tǒng)的最后定位就是電機(jī)的制動過程，當(dāng)電機(jī)制動結(jié)束時，系統(tǒng)的定位過程便同時完成，因此，需要調(diào)節(jié)器參數(shù)和對象參數(shù)之間很好地配合。圖9仿真及計算所得位置調(diào)節(jié)器參數(shù)值圖8中，調(diào)節(jié)器參數(shù)偏大，位置響應(yīng)存在超調(diào)，速度也存在超調(diào)，說明在伺服系統(tǒng)最后定位過程中，位置超調(diào)與電機(jī)制動時速度超調(diào)存在必然聯(lián)系。當(dāng)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)偏小時，雖然位置響應(yīng)沒有超調(diào)，但電機(jī)速度響應(yīng)緩慢，系統(tǒng)定位時間延長。因此，位置調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)影響系統(tǒng)響應(yīng)過程，不論大或小，都

19、會使系統(tǒng)響應(yīng)時間變長，只有合適選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，才可以使系統(tǒng)位置響應(yīng)既快又沒有超調(diào)。電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量增加時，為避免位置響應(yīng)過程超調(diào)，保證位置響應(yīng)既快又準(zhǔn)，調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)要相應(yīng)減小，否則，系統(tǒng)會因?yàn)殚]環(huán)主極點(diǎn)的減小，而延緩響應(yīng)過程，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的時間延長。為獲得最優(yōu)位置響應(yīng)，調(diào)節(jié)器參數(shù)必須隨著轉(zhuǎn)動慣量而適時調(diào)整。前面的仿真是空載時得到的，如有負(fù)載擾動，為使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)器參數(shù)還要調(diào)整，如圖10所示。圖中，左圖為調(diào)節(jié)器比例系數(shù)0.9，單電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，電機(jī)空載時位置響應(yīng);中圖為調(diào)節(jié)器參數(shù)不變，0.1S帶上額定負(fù)載時的位置響應(yīng)，可見位置響應(yīng)變慢;右圖為調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整后（KPW=1.33）位

20、置響應(yīng)。圖10仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)動慣量一定時，隨著電機(jī)負(fù)載增加，實(shí)時增大調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，可以使系統(tǒng)適應(yīng)負(fù)載變化，保證有良好的位置響應(yīng)性能。從物理意義上講，電機(jī)負(fù)載增加時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)運(yùn)動方向相反，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電磁力矩共同作用使電機(jī)制動，理應(yīng)對電機(jī)制動有利，但是由于在伺服定位過程中，電機(jī)速度下降較快，在最終定位過程中，電機(jī)速度較小，電機(jī)到達(dá)指定位置（定位）時間延長。為使伺服系統(tǒng)快速定位，需要提高定位速度。提高調(diào)節(jié)器比例系數(shù)可以在同等位置誤差情況下提高定位速度，實(shí)現(xiàn)快速定位。圖10伺服系統(tǒng)帶載情況下的位置響應(yīng)在對象轉(zhuǎn)動慣量變化、負(fù)載變化、位置調(diào)節(jié)器輸出限幅變化及位置給定值變化情況下，為獲得優(yōu)異的

21、位置響應(yīng)，位置調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)應(yīng)該相應(yīng)調(diào)整。為節(jié)省篇幅，圖11給出了位置環(huán)獲得最優(yōu)響應(yīng)時調(diào)節(jié)器參數(shù)隨這些參數(shù)變化的曲線。圖11 位置環(huán)參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行條件之間的關(guān)系圖11中，（a）為位置響應(yīng)最優(yōu)時，位置調(diào)節(jié)器參數(shù)隨電機(jī)軸聯(lián)轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系;（b）為位置調(diào)節(jié)器參數(shù)隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系;（c）為位置調(diào)節(jié)器參數(shù)隨調(diào)節(jié)器輸出限幅數(shù)值的關(guān)系;（d）為位置調(diào)節(jié)器輸出限幅不變（2000r/min），調(diào)節(jié)器參數(shù)隨位置給定的關(guān)系。由此可見，對位置環(huán)響應(yīng)過程影響的因數(shù)很多，需要考慮實(shí)際系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種情況，適當(dāng)限定某些參量，如速度限幅，再適時調(diào)整位置調(diào)節(jié)器參數(shù)，以獲得優(yōu)異的位置響應(yīng)性能。4永磁同步伺服系

22、統(tǒng)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性分析如果忽略電動勢的影響，系統(tǒng)電流環(huán)如圖12左圖所示。不忽略電動勢對電流環(huán)的影響，電流環(huán)為圖12右圖所示，由此可得到考慮和不考慮電動勢影響時電流環(huán)幅相頻率特性。由頻率特性可知，忽略電動勢對電流環(huán)動態(tài)穩(wěn)定性并沒有影響，它的存在，只是影響電流環(huán)低頻段幅相頻率特性，并不影響高頻段頻率特性，相角穩(wěn)定裕度基本相等。電流環(huán)截止頻率滿足忽略電機(jī)反電勢條件，也滿足小慣性環(huán)節(jié)等效條件。因此，實(shí)際設(shè)計時可不考慮電動勢的影響，而直接采用調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法對電流環(huán)進(jìn)行設(shè)計。在電流調(diào)節(jié)器積分系數(shù)一定的情況下，比例系數(shù)越大，電流環(huán)開環(huán)幅相頻率特性截止頻率越高，電流響應(yīng)越快，系統(tǒng)穩(wěn)定相角裕量越小。系統(tǒng)以追求

23、電流快速跟蹤為目標(biāo)，因此在允許的情況下，盡量增加調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)。在比例系數(shù)一定的情況下，積分系數(shù)越小，電流環(huán)開環(huán)頻率特性低頻段增益越小，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差越大，故在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量增加電流調(diào)節(jié)器積分系數(shù)。將電流環(huán)簡化等效為一階慣性環(huán)節(jié)，作為速度環(huán)控制對象的一部分，構(gòu)成速度環(huán)閉環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖12不考慮反電勢（左）與考慮反電勢（右）對電流環(huán)影響時的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖13所示。按照速度環(huán)設(shè)計結(jié)果，可以得到速度環(huán)開環(huán)頻率特性。由頻率特性可知，速度環(huán)有比較大的相角穩(wěn)定裕度，調(diào)節(jié)器參數(shù)可在比較寬的范圍取值，隨著速度調(diào)節(jié)比例系數(shù)增加，幅頻特性曲線上移，相角穩(wěn)定裕度減小，電機(jī)速度響應(yīng)加快，超調(diào)量增加。

24、隨著積分系數(shù)增加，速度響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定的時間加快，系統(tǒng)穩(wěn)定裕量減小。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，伴隨著電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的增加，速度環(huán)開環(huán)幅相頻率特性下移，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，為使系統(tǒng)滿足工程設(shè)計要求，速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加，積分系數(shù)可以保持不變。圖13 伺服系統(tǒng)速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖同樣得到位置環(huán)開環(huán)頻率特性。由頻率特性可知，位置環(huán)在較寬的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，雖說可以通過加大位置調(diào)節(jié)器比例系數(shù)來提高位置響應(yīng)速度，但是，隨著響應(yīng)速度加快，將產(chǎn)生位置響應(yīng)超調(diào)，這在實(shí)際系統(tǒng)中是絕對禁止的。另外，隨著電機(jī)軸連轉(zhuǎn)動慣量增加，位置環(huán)相角裕度減小，在位置調(diào)節(jié)器比例系數(shù)一定的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定度下降，故要適時調(diào)整其比

25、例系數(shù)。結(jié) 論本文建立了永磁同步伺服系統(tǒng)仿真模型，并在MATLAB仿真環(huán)境中對整個系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。電流環(huán)仿真結(jié)果表明，調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法仍適用，但工程設(shè)計結(jié)果偏于保守，電流動態(tài)跟隨響應(yīng)速度慢，動態(tài)響應(yīng)過程中偏差大，且忽略了反電動勢對電流環(huán)的影響。為提高電流環(huán)動態(tài)響應(yīng)性能，抑制反電勢影響，保證id=0解耦控制實(shí)現(xiàn)，根據(jù)動態(tài)響應(yīng)過程的仿真，調(diào)節(jié)器參數(shù)應(yīng)按表1做調(diào)整。為抑制電流環(huán)響應(yīng)超調(diào)，引入電流微分負(fù)反饋。仿真結(jié)果表明，合適選擇并確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，適當(dāng)設(shè)置電流微分負(fù)反饋，可以在保證響應(yīng)快速性的前提下抑制電流響應(yīng)超調(diào)。對速度環(huán)的仿真結(jié)果表明，在空載及負(fù)載變動情況下，仿真

26、所得速度調(diào)節(jié)器參數(shù)和設(shè)計結(jié)果差別較大，速度響應(yīng)過程中調(diào)節(jié)器飽和，按線性型系統(tǒng)設(shè)計時，速度調(diào)節(jié)器初始條件和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)器退飽和運(yùn)行初始條件有很大差別，需要對設(shè)計結(jié)果做比較大的調(diào)整才可以滿足實(shí)際系統(tǒng)需要，說明工程設(shè)計方法不適用于伺服系統(tǒng)速度環(huán)的設(shè)計，但工程設(shè)計方法中關(guān)于調(diào)節(jié)器的型式選擇仍然適用。負(fù)載變動、對象轉(zhuǎn)動慣量變化及速度調(diào)節(jié)器輸出限幅數(shù)值是影響速度響應(yīng)過程的主要因素。合適選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，適當(dāng)設(shè)置速度微分反饋，可使系統(tǒng)在保證快速響應(yīng)的前提下防止振蕩與超調(diào)，并適應(yīng)負(fù)載及對象轉(zhuǎn)動慣量的變化。位置環(huán)仿真結(jié)果表明，負(fù)載變動、負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量變化、速度限幅數(shù)值變化及位置給定變化對系統(tǒng)位置環(huán)的響應(yīng)均有影響。在保持其它各量不變，為獲得最優(yōu)響應(yīng)過程，系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)器參數(shù)必須按圖11所示規(guī)律調(diào)整。對伺服系統(tǒng)三環(huán)的穩(wěn)定性分析表明，所設(shè)計的伺服系統(tǒng)穩(wěn)定，并討論了對象參數(shù)、負(fù)載、轉(zhuǎn)動慣量等參量變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性能影響的趨勢，從而全面了解永磁同步伺服系統(tǒng)，為進(jìn)一步研究并提高伺服系統(tǒng)的性能奠定基礎(chǔ)。致 謝至此感謝指導(dǎo)老師張老師的建議、指導(dǎo)和室友們給予的啟發(fā)以及相關(guān)專業(yè)資料使得本次論文能夠更加圓滿完善地完成。至此再次致謝。 武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 07級冶金系機(jī)電一體化專業(yè)胡小林參 考 文 獻(xiàn)1. 鄭宏興，姚紀(jì)歡，張成編著，MATLAB5