直流电机伺服控制系统建模与仿真

开放型实验“直流伺服电机的建模与性能分析”实验指导书一、实验目的1. 了解机理法、实验法建模的基本步骤；2. 会用实验法建立直流伺服电机的数学模型；3. 掌握控制系统稳定性分析的基本方法；二、实验要求1. 采用实验法建立直流伺服电机的数学模型；2. 分析直流伺服电机的稳定性，并在MATLAB 中仿真验证；三、实验设备1. GSMT2014 型直流伺服系统控制平台；2. PC、MATLAB 平台；四、直流伺服系统控制平台简介实际GSMT2014型直流伺服系统控制平台如图1.1所示。

该平台所使用的直流电机的额定电压为26V，额定功率为70W，最高转速为3000r/min，电机的编码器为1000p/r。

图1.1 GSMT2014型直流伺服系统控制平台GSTM2014实验平台是基于双电机高性能运动控制器GT400和智能伺服驱动器的直流伺服电机控制系统，由于GSMT2014平台增加了高性能的GT2014运动控制器，可以在MATLAB/simulink软件下完成实时控制实验掌握通过实验数据来建立系统的数学模型的实验方法，以及现代控制理论的状态反馈法。

五、实验原理系统的建模方法主要分为机理法和实验法。

1．机理法建立直流伺服电机数学模型采用机理法建立系统模型，需要深入理解系统内部的各个部分之间的关系，可以通过简化模型原理图得出，直流伺服电机的简化模型原理图如图1.2所示。

图1.2 直流电机的等效电路a U ——定义为电枢电压（伏特）b U ——定义为反电动势（伏特）a I ——定义为电枢电流（安倍）a R ——定义为电枢电阻（欧姆）a L ——定义为电枢电感（亨利）m T ——定义为电机产生的转矩（牛顿·米）c T ——定义为系统的干扰力矩（牛顿·米）m J ——定义为负载的等效转动惯量（千克·米²）结合直流伺服机的等效电路模型可以得出：（1）电枢电压方程： dt t di La t i a a )()(R t U -t U a b a +=）（）（（1-1） （2）电动机的转矩：a m kI T =（1-2） 式中:k ——电动机的转矩常数（3）电动机的反电动势：n b w K =b U（1-3） 式中：b K ——反电动势常数（4）转矩平衡方程： c m T dt d J +=22m T θ（1-4）当改变电动机的电枢电压时，根据（1-1）、（1-2）、（1-3）、（1-4）式可以得出直流电动机的动态微分方程为： c f a c e T K U K t n dtt dn dt t n d -=++)()()(m 22m τττ （1-5） 其中：ετ——电磁时间常数； f K ——机械特性斜率；m τ——机械时间常数； c K ——转速常数；)(t n ——电机转速。

用于EPS 的无刷直流电机控制系统的S imulink 建模与仿真王寿峰,张孝祖,郑荣良(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013)摘要:在介绍了采用无刷直流电机的电动助力转向系统,并建立相应电机数学模型的基础之上,利用M atlab /S i m uli nk 中的S i m Po w erSys t e m s 工具箱以及S 函数等搭建了无刷直流电机电流单闭环控制系统的仿真模型,并对该模型进行了仿真分析。

根据仿真结果,该模型满足理论分析,能够获得良好的各相绕组的电流曲线、反电动势曲线、转速曲线和转矩曲线等,可以用于进一步对电动助力转向系统的研究。

关键词:电动助力转向(EPS);无刷直流电机;Sm i uli n k ;仿真中图分类号:T M 33;U463.4 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2010)03-0023-04S m i ul a ti o n of B rushl e ss DC Mot or Contro l Syst e mf or EPS Based on S m i uli n kWANG Shou feng,Z HANG X iao zu,Z HE NG R ong liang(Jiangsu U n i ve rsity ,Zhenji ang 212013,Ch i na)Abstr ac:t E lectr ic po w er steer i ng(EP S)syste m w it h brushless DC m o t o r i s i ntroduced ,and ma t he m a tica lm ode l f o rbrush l ess DC mo tor is establi shed .Based on above ana l ys i s ,si ng le closed loop contro l syste m of brush l ess DC m otor is presen ted us i ng S i m Pow erSyste m s too l box and S functi on i n M atlab /S i m uli nk .Th is s i m u l ation m ode l i s ope rated ,and s i m u l a tion resu lts a re analyzed .Si m ulati on results show tha t t he m ode l can m eet t he de m and o f t heoretica l analysis .Current response curv e ,back E M F (E l ectromo ti ve F orce)response curve ,speed response curve as we ll as to rque response curve can be m onitored and ana lyzed .It is an easy t o design too l f o r analysis o f EPS syste m.Key wor ds :E lectr i c pow er stee ri ng(EPS);B rushless DC mo tor(BLDC M );Si m u li nk ;S i m ulati on1 引言为保证汽车在转向时获得良好的助力及回正等性能,动力转向系统得到了广泛的应用,从最初的液压助力转向系统(H PS ),到电控液压助力转向系统(EH PS ),再到现在的电动助力转向系统(EPS)。

一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法摘要：在分析无刷直流电机（BLDC）数学模型的基础上，提出了一种无刷直流电机控制系统仿真建模的新方法。

在Matlab/Simulink环境下，把独立的功能模块和S函数相结合，构建了无刷直流电机系统的仿真模型。

系统采用双闭环控制：速度环采用离散PID控制，根据滞环电流跟踪型PWM逆变器原理实现电流控制。

仿真和试验结果与理论分析一致，验证了该方法的合理性和有效性。

此方法也适用于验证其他控制算法的合理性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

关键词：无刷直流电机；建模；仿真；电流滞环；Matlab中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2008) 02-293-06A Method for Modeling andSimulation ofBrushless DC Motor Control System based on MatlabYIN Y un-hua, ZHENG Bin, ZHENG Hao-xin(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)Abstract: Based on the mathematical model of the Brushless DC motor (BLDC), a novel method for modeling and simulation of BLDC control system was proposed. In Matlab/Simulink, by the combination of the isolated functional blocks and S-functions, the model of BLDC could be established. In the double loop of control system, a discrete PID controller was adopted in the speed loop and a current controller was completed in the current loop on the principle of hysteresis current track PWM inverter. The reasonability and validity were testified by the coincidence of the simulation and experimentation results and theory analysis. This novel method is also suitable for verifying the reasonability of other control algorithms and offers a new thinking for designing and debugging actual motors. Key words: BLDC; modeling; simulation; hysteresis current; Matlab引言1无刷直流电机(Brushless DC Motor，以下简称BLDC)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。

《机电系统建模与仿真》实验指导书王红茹编写适用专业：机械工程________________________科技大学机械工程学院2015 年 11 月实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验学时： 2实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的1.掌握运用 MATLAB/Simulink 进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。

二、实验容及原理主要针对工程领域常用的自动控制系统－－双闭环控制系统进行建模与仿真实验，并对其原理进行详细介绍。

采用 PI 控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能力也较差。

双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器（环）的给定输入，从而形成转速、电流双闭环控制。

这种双闭环调速系统是直流调速的一种典型形式。

以双闭环 V-M调速系统为例，介绍运用 MATLAB/Simulink 进行双闭环控制系统动态分析的方法。

双闭环V-M 调速系统的结构如图 1.1 所示。

图中，直流电机参数： P nom10kW ， U nom220V ， I nom53.5A ， n nom1500r / min ，电枢电阻R a0.31，系统主电路总电阻R 0.4，电枢回路电磁时间常数T a0.0128s ，机电时间常数 T m0.042s；三相桥平均失控时间T s0.00167 s ，触发器放大系数K s30 ；电流反馈系数 K i0.072V / A ，电流环滤波时间常数T oi0.002s ；转速反馈系数 K t0.0067V min/ r ，转速环滤波时间常数T on0.01s 。

.专业资料 ... .. ..电流环滤波电流反馈系数扰动信号1K iT oi s131 -I i+R11 +P i+4 T on s 1I n 1sK s1 / R aT m sC e给定P n++-电机 转速环sT oi s 1电流T s s T a s 1传动 电势 信号--1转速滤波平衡转速 电流环调节器装置系数可控硅电机-调节器 滤波平衡2整流器电枢1K tT on s 1转速环滤波转速反馈系数图 1.1 双闭环 V-M 调速系统的动态结构图①电流环、转速环选型原则。