CN109462347A - 一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统 - Google Patents

一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机位置、速度以及力矩协同控制的仿真系统，包括控制模块PID0、控制模块PID1、控制模块PID2、控制模块PID3、控制模块PID4、相乘模块PRODUCT1、相乘模块PRODUCT2、相加模块SUM1、相加模块SUM1、电机驱动器、位置传感器、速度传感器与力矩传感器，控制模块PID0与速度传感器采集的速度求差后传输至控制模块PID1，控制模块PID1的输出与相乘模块PRODUCT1的输出通过相加模块SUM1求和，求和后的输出与力矩传感器采集的力矩求差后传输至控制模块PID2，控制模块PID2的控制输出与相乘模块PRODUCT2的输出通过相加模块SUM2进行求和，求和后的输出传输至电机驱动器，通过本发明所提供的仿真系统不仅可以提高位置的控制精度，还能在达到指定位置的同时达到指定速度和力矩，从而满足实际应用需求。

Description

一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统。
背景技术
传统的永磁同步电机(PMSM)是将位置、速度、电流三闭环控制，这种方法能很好的对位置进行精确控制，但在许多应用中，如机器人关节、大型机械臂等，不仅需要对位置进行精确控制，还要求电机通过某一位置时需要同时具备一定的速度和力矩条件。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提出一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统，该仿真系统不仅能增加位置控制精度，还能达到指定的速度和力矩。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统，包括控制模块PID0、控制模块PID1、控制模块PID2、控制模块PID3、控制模块PID4、相乘模块PRODUCT1、相乘模块PRODUCT2、相加模块SUM1、相加模块SUM1、电机驱动器、位置传感器、速度传感器以及力矩传感器；
所述速度传感器采集的速度与速度指令进行求差，然后传输至所述控制模块PID3，所述控制模块PID3控制的输出与速度参数Cs通过相乘模块PRODUCT2进行乘积；
所述力矩传感器采集的力矩与力矩指令进行求差，然后传输至所述控制模块PID4，所述控制模块PID4控制的输出与力矩参数Cn通过相乘模块PRODUCT2进行乘积；
所述控制模块PID0与所述速度传感器采集的速度进行求差后传输至所述控制模块PID1，所述控制模块PID1控制的输出与所述相乘模块PRODUCT1的输出通过相加模块SUM1进行求和，所述相加模块SUM1求和后的输出与所述力矩传感器采集的力矩进行求差后传输至所述控制模块PID2，所述控制模块PID2的控制输出与所述相乘模块PRODUCT2的输出通过相加模块SUM2进行求和，所述相加模块SUM2求和后的输出传输至所述电机驱动器，由所述电机驱动器控制电机。
作为本发明一种优选的技术方案，通过速度参数Cs的大小来调节所述控制模块PID3的控制输出。
作为本发明一种优选的技术方案，通过力矩参数Cn的大小来调节所述控制模块PID4的控制输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明所提供的仿真系统不仅可以提高位置的控制精度，还能在达到指定位置的同时达到指定速度和指定力矩，从而满足实际应用需求。
附图说明
图1为本发明提供的一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统的原理框图；
图2为本发明提供的一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统的Matlab/Simulink仿真实现图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅图1，本发明提供一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统，包括控制模块PID0、控制模块PID1、控制模块PID2、控制模块PID3、控制模块PID4、相乘模块PRODUCT1、相乘模块PRODUCT2、相加模块SUM1、相加模块SUM1、电机驱动器、位置传感器、速度传感器以及力矩传感器；
所述速度传感器采集的速度与速度指令进行求差，然后传输至所述控制模块PID3，所述控制模块PID3控制的输出与速度参数Cs通过相乘模块PRODUCT2进行乘积；
所述力矩传感器采集的力矩与力矩指令进行求差，然后传输至所述控制模块PID4，所述控制模块PID4控制的输出与力矩参数Cn通过相乘模块PRODUCT2进行乘积；
所述控制模块PID0与所述速度传感器采集的速度进行求差后传输至所述控制模块PID1，所述控制模块PID1控制的输出与所述相乘模块PRODUCT1的输出通过相加模块SUM1进行求和，所述相加模块SUM1求和后的输出与所述力矩传感器采集的力矩进行求差后传输至所述控制模块PID2，所述控制模块PID2的控制输出与所述相乘模块PRODUCT2的输出通过相加模块SUM2进行求和，所述相加模块SUM2求和后的输出传输至所述电机驱动器，由所述电机驱动器控制电机。
本发明的具体工作原理为：当速度参数Cs和力矩参数Cn同时为零时，该控制系统相当于在只给定位置指令下的位置、速度、电流三闭环控制，此时不要求输入速度指令和力矩指令，直接根据位置指令就可精确到达指定位置。
当速度参数Cs不为零和力矩参数Cn为零时，该系统相当于根据给定的位置指令和速度指令精确控制，电机最终可实时精确到达指定位置和速度。
当速度参数Cs和力矩参数Cn都不为零时，该系统相当于根据给定的位置指令、速度指令和力矩指令，电机最终可实时精度的到达要求的指定位置、速度和力矩大小。
当控制模块PID1控制中P、I、D参数都为零，且力矩参数Cn为0时，该系统相对与在给定速度指令下的速度和电流双闭环控制，根据指定速度，电机最终精确稳定在指定速度下运行。
当控制模块PID1控制中P、I、D参数都为零，且力矩参数Cn不为0时，该系统相对于在给定速度指令和力矩指令下的速度和电流双闭环控制。根据指定速度和指定力矩，电机最终精确稳定在指定速度和指定力矩下稳定运行。
当控制模块PID2控制中P、I、D参数都为零，且力矩参数Cn不为0时，该系统相当于在给定力矩指令下的电流闭环控制，根据指定力矩，电机最终在指定力矩下稳定运行。
请参阅图2，位置指令和速度指令采用相位相乘90°的位于simulink/Sinewave正弦波发生模块，两个模块互为微积分的关系。
SVPWM模块为主流的SVPWM算法搭建而成，输入为Id、Iq两路电流，输出为6路互补PWM波。
永磁同步电机的模型位于SimPowerSystem中，三相逆变器采用SimPowerSystem中Universal Braidge模块。
位置传感器中位置，速度传感器中速度及力矩传感器中力矩信息可直接从PMSM模型中引出来。
Clark_Park模块为三相电流Ia、Ib、Ic通过Clark变化公式和Park公式转化为Id和Iq两路电流。
通过建立仿真模型，可通过示波器查看位置、速度及力矩的实时仿真情况。
在具体实施过程中，通过速度参数Cs的大小来调节所述控制模块PID3的控制输出，从而控制系统的位置和速度的响应速度、精度等指标。
在具体实施过程中，通过力矩参数Cn的大小来调节所述控制模块PID4的控制输出，从而控制系统的位置、速度和力矩的响应速度、精度等指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统，包括控制模块PID0、控制模块PID1、控制模块PID2、控制模块PID3、控制模块PID4、相乘模块PRODUCT1、相乘模块PRODUCT2、相加模块SUM1、相加模块SUM1、电机驱动器、位置传感器、速度传感器以及力矩传感器，其特征在于:
所述速度传感器采集的速度与速度指令进行求差，然后传输至所述控制模块PID3，所述控制模块PID3控制的输出与速度参数Cs通过相乘模块PRODUCT2进行乘积；
所述力矩传感器采集的力矩与力矩指令进行求差，然后传输至所述控制模块PID4，所述控制模块PID4控制的输出与力矩参数Cn通过相乘模块PRODUCT2进行乘积；
所述控制模块PID0与所述速度传感器采集的速度进行求差后传输至所述控制模块PID1，所述控制模块PID1控制的输出与所述相乘模块PRODUCT1的输出通过相加模块SUM1进行求和，所述相加模块SUM1求和后的输出与所述力矩传感器采集的力矩进行求差后传输至所述控制模块PID2，所述控制模块PID2的控制输出与所述相乘模块PRODUCT2的输出通过相加模块SUM2进行求和，所述相加模块SUM2求和后的输出传输至所述电机驱动器，由所述电机驱动器控制电机。
2.根据权利要求1所述的一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统，其特征在于：通过速度参数Cs的大小来调节所述控制模块PID3的控制输出。
3.根据权利要求1所述的一种电机位置、速度以及力矩协调控制的仿真系统，其特征在于：通过力矩参数Cn的大小来调节所述控制模块PID4的控制输出。
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