自动控制无处不在(MATAB伺服驱动介绍)

本文属MATLAB与SOLIDWORK集成机电系统仿真与实现系列文章

在MATLAB与SOLIDWORK集成机电系统仿真与实现系列文章中,一个重点是伺服控制系统的设计,在强调一些基础概念的过程中,我当然觉得不能忘记眼前那些琳琅满目的伺服驱动产品,而且这些国外的东西基本上领导了中国的市场,这种局面从某些层面上考虑,它的优点是别人似乎真的在帮助我们从愚昧落后的状态中大踏步前进,另外一些观念不用多吹.下面总结一下MATLAB里关于交直流电机的伺服仿真模块和技术,目的在于总结学习一些基本理论和概念的时候,也睁大眼睛看看现实是多么的残酷!

在MATLAB的SimPowerSystem里提供了一个电气传动库,这个传动库里有交直流电机的伺服驱动模块,如果对那些要做系统集成的制造商来说,这里的模块可以用来做系统层的模拟,最起码可以排除某些无知的念头甚至愚蠢的举动,这种公司我也领教过了,现在想起都直想摇头.这就是那些自吹自擂标榜自己是一流公司的真实嘴脸,不脸红都不行.

开始翻译一下MATLAB电气传动介绍,

什么是电气传动?

电气传动就是一个系统以一个可调节的速度完成电能到机械能的转换过程,就是这个原因,也称电气传动为可调速传动,然而,电气传动,以后我们会看到,为了电机电流的安全控制,总是包含着电机的电流(或扭矩)调节.从而电气传动的扭矩/速度以恒定的状态匹配机械负载的扭矩速度特征.电机到机械负载的匹配意味着更好能量效率和更低的能量消耗,另外,在加减速过程中,电气传动提供快速的动态性能,允许软启动和停止.日益增长的大量应用要求扭矩/速度必须适应机械负载,电气运输手段,电梯,计算机硬盘驱动,某些机械工具,机器人是高性能应用的例子,这里期望的运动时间曲线必须非常精确的被跟踪,泵,风扇,传输带,HVAC(热,通风设别,空调)是中等性能的应用,这里变速操作意味着节能.

电气传动的三个主要部件

• 电动机功率
• 电子整流器
• 驱动控制器

 下面的图除了示意出电气传动的基本拓扑结构外,还示意出电源,机械负载,电气和运动传感器,以及用户接口.

 

在电气传动中，要么使用直流电机，要么使用交流电机，被应用的电机的类型用来定义电气传动是直流电机驱动和交流电机驱动，因为生产可变直流电压较容易，所以直到60年代，较宽范围的直流电机调速是比较受宠的。后来功率电子的发展和微处理器高速进步铺平高性能交流变速应用。

功率电子整流器从电源产生可变频率的AC电源，按不同的电气传动，有很多类型的整流器， 直流电机驱动居于相控整流器（AC-DC整流器），或者斩波器（DC-DC），然而AC电机驱动用逆变器（DC-AC整流器）或者环整流器（AC-AC整流器），所有功率电子的基本元件是电子开关，开关要么是半可控的（导通状态可控），就如晶闸管那样，或者全可控（导通和阻断可控），如IGBT（绝缘栅双极晶体管）和GTO（栅关断晶闸管）模块。电子开关的可控特征允许整流器产生可变频AC电压。

驱动器控制器的目的是把期望的扭矩/速度特征转化为三角波用于电源整流，当然这过程中用传感器反馈电流、速度驱动变量。为完成这些，控制器首先居于电流（扭矩）调节，电流调节是必须的，因为就想前面所说，这可以精确的控制电流来保护电机，设置点在扭矩工作模式时，可以通过外部提供，在速度模式时，设置点由内部提供。在电气驱动库里，速度调节器与电流调节器串联，居于PI控制，它有三个重要特征，第一，设置点胡变化速率被限制以便一期望的速度坡度上升到设置点，避免突然的阶跃变化，第二，速度调节器的输出是电流调节器的设置点，该设置点由最大最小限设置，最后积分项也被限制为了避免饱和。下面这张图显示PI速度控制器的模块图。

 

多象限操作

对每一个电气传动应用，要驱动的机械负载有一些具体的要求，电气传动的扭矩/速度可能性可以表示为速度对扭矩图，并由四个象限组成，在第一象限，扭矩和速度的符号都是正的，表明正向运动，第二象限，扭矩是负的，速度是正的，表示正向制动，在第三象限，扭矩速度都是负的，表示逆向运动，在第四现象，表示逆向制动。驱动制动要么通过制动斩波器（动态制动），要么通过双向功率流（再生制动）。

下面的图演示了电气驱动的四象限操作区，每个象限有一个从0到额定速度ωb的常值扭矩区，另一个区是扭矩随速度从ωb到最大速度ωmax减小，第二个区时常功率区，这可以通过降低电机磁通获得。

 

 均值模型

AC和DC库允许两种层次的模拟，细化模拟或均值模型，细化模拟用通用桥模块表示被控制的整流器和逆变器的细节行为，这个模拟要求小的模拟时间步获得驱动器高频电气元件的正确表达。

均值模拟用功率整流器的均值模型，当模拟均值模型时，电气的输入输入电流，和功率整流器的电压都表示真实电流电压的平均值，这样做，高频成分不被表示，模拟可以比较大的时间步，均值层次时间步可以小到控制器的最小采样时间，例如，驱动器有一个20us的电流环和一个100us的速度环，那么模拟时间步可以小到20us。

最后看一下SIMULINK里使用伺服驱动器是用的参数设置面板，如下图。总之如果用这种伺服驱动器去建设系统层面的仿真时比较方便了。

 

在电子工具箱内，还有小直流电机的伺服模块可以用，这里不多谈。

本文转载自李会先博客http://foundy.blog.163.com/blog/static/2633834420103103384120/