基于MATLAB的伺服压力机控制系统仿真研究

链; r 为转子的角速率; p n 为电机极对数; B 为粘
滞摩擦系数; J 为转动惯量; T q 为电机曲柄扭矩。
在表面式永磁同步电机 ( SPM SM ) 中, i d = 0,
L d = L q 。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。
PM SM 转子磁场速度控 制原理如图 2 所示[ 5] 。
第 35 卷 第 5 期 V ol 35 N o 5
FORGING & STAMPING TECHNOLOGY
2010 年 10 月 Oct. 2010
基于 M AT L AB 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)
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 形磁场。当电机通以三相对称的正弦电压时, 交流
第5期
曾辉雄等: 基于 M A T L A B 的伺服压力机控制系统仿真研究
由 SVP WM 计算产生 6 路 P WM 信号 ( 电压信号)
图 2 PM S M 转子磁场速度控制原理 Fig 2 R ot or speed cont rol princi ple of PM SM
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 Clar k 变 换、
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
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 M atlab/ 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
Park 变换和 Park 反变换, 其变换公式为: Clark 变换:
i =
i
2
1
-
1 2
3 0
3 2
-
1 2
-
3 2
ia ib ic
Park 变换:
id
cos sin i
=
iq
- sin cos i
Park 反变换:
i
cos - sin id
=
i
sin cos
iq
2 仿真模型的建立
2 1 压力机运动机构仿真 利用 M at lab/ Simulink 里的 SimM echanics 模块
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; M atlab/ Simulink; 仿真
DOI: 10 3969/ j issn 1000 3940 2010 05 016
表 1 T1 和 T2 赋值表 Table 1 Values of T1 , T2
扇区号
!
∀
#
T1
-Z
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 Config urat ion Paramet er s 的子选项 SimM echanics 里勾选上 An imate machine during sim ulat ion , 仿真时就可以看 到运动机构的简易动画演示[ 6 ] 。
图 6 扇区号 N 仿真模型 Fig 6 M odel of sect ors choice
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锻 压技 术
第 35 卷
( 4) 计算 X , Y , Z 和 T 1 , T 2 用 T 1 , T 2 来表示不同矢量的作用时间。令X =
2V T S / 2 Udc , Y = ( 3 V + V ) T S / 2 U dc , Z =
中图分类号: TG375
文献标识码: A
文章编号: 1000 3940 ( 2010) 05 0069 07
Simulation of servo press control system based on MATLAB
ZENG Hui xiong, YE Chun sheng, MO Jian hua, FAN Zi tian ( State K ey L abor ator y of M aterial Pr ocess and Die and M o uld T echnolog y, Huazho ng U niver sity o f
( 3 V - V ) T S / 2 Vdc 。 式 中, Udc 为 直 流 电 压 300V 。对于不同扇区的 T 1 、T 2 , 按表 1 取值。若 T 1
+ T2 > T S,
则 T1 =
T1T S T1+ T
2
,
T2 =
T2TS T1+ T
2
。
其
中,
T S 为 SV PWM 的周期 0 1 mБайду номын сангаас。
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 ( PM SM ) 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 ( SP MSM ) 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 M atlab/ 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
( 3) 扇区选择 逆变器共有 8 种工作状态, 取其中 6 个非零的 开关状态, 可得到 6 个均匀分布的空间电压矢量。
图 5 Park 反变换仿真模型 Fig 5 M odel of Park invers e t ran sform at ion
而三相电压 A 、B、C 在空间互 差 120 , 可根据矢 量 V 、V 的大小关 系判断扇 区。当 V > 0 时, 令 A = 1, 否则 A = 0; 当 3V - V > 0 时, 令 B= 1, 否 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。
控制是建立在坐标变换理论下的控制方法, P MSM 在 d、q 坐标系下的数学模型为[ 3 4] :
ddti d
=
-
R Ld
i
d
+
pn
r
L L
q d
i
q
+
1 Ld
u
d
ddti q =
pn
r
L L
d q
i
d
-
R Lq
i
q
-
fpn
1 Lq
r+
1 Lq
u
q
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锻 压技 术
第 35 卷
图 1 曲柄滑块机构运动简图 Fig 1 M echanis m m ot ion of crank sl ider press
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
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。
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图 3 压力机结构仿真模型 Fig 3 M odel of press machanism mot ion
图 4 滑块行程的路径 Fig 4 Slider s t roke cur ve
电机内产生理 想的圆形磁链并且以此 磁链为基准, 通过逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近 基准圆形磁链, 从而使电机达到较高的控制性能[ 7] 。
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 Clar k 变换到 直 角坐标系, 再经
P ar k 变换到 dq 旋转坐标系反馈给初值, 通过 P I 调
节器获得理想的控制量后信号再经 P ARK 反变换,
d dt
r=
3 2
pn J
[
f iq -
(Lq -
L d ) id i q ] -
B J
r-
1 J
T
q
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; L d 、L q 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
Science and T echno lo gy , W uhan 430074, China)
Abstract: T he mechanical mot ion simulation o f cr ank slider ser vo pr ess and the co ntr ol sy stem simulation of serv o mo tor wer e car ried on. T he mechanical mo tion simulat ion w as carr ied out to obtain t he motio n cur ves of the slider , and the moto r simulat ion was mainly based on the analysis and mathematical modeling o f vecto r co ntr ol theor y of P erma nent M ag net Sy nchro no us M o tor ( PM SM ) . M at lab/ Sinulink was used to build the simulatio n model. T he simulation r esults indicate that the model sy stem is in accor d w ith t he PM SM . I n the end, differ ent response curves wer e obtained by g iv ing the moto r different to rques, the contro l st rateg y o f serv o mo tor can be improv ed via the ana lyse o f curv es, and then the w or king perfo rmance o f servo pr ess can be also impro ved. Keywords: servo press; PM SM ; M atlab/ Simulink; simulation