0引言随着工业生产的发展，大量工业机器人被用于自动化生产中，工业机器人的主要器件是伺服电机。伺服电机在机器人中用作执行单元，是影响机器人工作性能的主要因素。因此伺服电机的控制显得尤为重要。伺服电机具有稳定性好、精度高、动态响应快、抗干扰能力强等特性。伺服电机的控制模式主要有位置模式、速度模式和力矩模式，这3种模式之间又有相互关系。本文基于MATLAB下Simulink建立直流伺服电机的3种控制模式的仿真环境，通过PID的形式来设计位置、速度和电流3种控制器，从而对电机进行闭环控制。当控制器设计完成后，通过改变外部负载的大小来验证直流伺服电机的控制情况。本文以摆臂系统为例进行仿真分析。得出的结论是：一旦控制器确定，无论外部负载怎么变化，只要在直流伺服电机的额定扭矩范围内，直流伺服电机都不会因负载变化而改变控制特性。1伺服电机的3种控制模式伺服电机为了能够达到生产的精确控制，常采用3种控制模式，即力矩模式、速度模式和位置模式。力矩模式的特点是：在额定力矩范围内，输出力矩是恒定的；速度模式的特点是：在额定力矩范围内，输出速度是恒定的；位置模式的特点是：在额定力矩范围内，准确地控制到指定位置。3种控制模式，分别对应电路上的3个控制环。最内环是电流环，对应着伺服电机的力矩模式。另外2个控制环依次为外环，即速度环和位置环。在实际应用中，速度环和位置环都要经过电流环，也就是说，速度控制和位置控制都要经过力矩控制来产生最终力矩。电流环直接控制伺服电机的转矩，因此伺服电机在转矩模式下响应最快。而位置控制首先要经过速度控制，然后经过电流控制，所以，运算量最大，动态响应也最慢。速度控制的动态响应快慢居于中间。3种模式对应的3个控制环如图1所示。图1伺服电机的3个控制环2摆臂系统的建模及电机选择煤矿机械CoalMineMachineryVol.39No.01Jan.2018第39卷第01期2018年01月doi:10.13436/j.mkjx.201801046直流伺服电机控制模式的仿真*冷炳营,王钰（青岛大学，山东青岛266071）摘要：为了能够精确地对伺服电机进行3种控制模式下的仿真，通过MATLAB下的Simulink建立仿真环境，并采用PID的形式来设计控制器，验证直流伺服电机的控制不会因负载不同而发生变化，从而实现对直流伺服电机的位置、速度和力矩的3种模式控制仿真。基于摆臂系统为例，以电流环为最基本环路，速度环和位置环为外环，通过调节力矩PI控制器、速度PI控制器以及位置PID控制器，分别对力矩模式、速度模式及位置模式3种伺服电机的控制模式进行仿真，在伺服电机的额定力矩范围内改变负载值，来验证了控制器确定后，直流伺服电机不会因负载变化而改变控制特性。关键词：伺服电机；Simulink；电流环；PID控制器中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：1003－0794（2018）01－0134－03SimulationofDCServoMotorControlModelLENGBing-ying，WANGYu(QingdaoUniversity,Qingdao266071，China)Abstract：Inordertoaccuratelysimulatethethreecontrolmodeofservomotor,toestablishesthesimulationenvironmentthroughMATLABSimulink,andtodesignacontrollerusingPID，verifyingthecontrolofDCservomotorwillnotchangeduetodifferentloadandrealizesthethreemodecontrolsimulationoftheDCservomotor’spositionspeedandtorque.Theswingarmsystemasanexample,basedonthecurrentlooptothebasicloop,speedloopandpositionloopastheouterring,byadjustingthetorquePIcontroller,speedPIcontrollerandpositionPIDcontroller,torquemodeandspeedmodeandpositionmodeofthethreeservomotorsrespectivelycontrolledbychangingthevalueoftheloadinthesimulation.Ratedtorquerangeofservomotor,itverifiesthecontrolleraftertheDCservomotorisnotduetotheloadchangesandchangescontrolcharacteristics.Keywords：servomotor;Simulink;currentloop;PIDcontroller*山东省科技发展计划项目（40214010075）电流控制器速度控制器电机位置控制器---134中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

直流伺服电机仿真界面分为I、II、III、IV四个功能区。（1）力矩模式仿真首先在图4中，把控制模式开关打到力矩开关上，然后把伺服电机的参数设置到相对应的变量上，最后将输入参数和负载参数进行设定，其中摆臂质心距离L=0.8m，负载质量m=0.5kg，输入力矩参考值M=0.3Nm；然后改变负载质量m=0.3kg，通过调节力矩PI控制器，最后在IV功能区选择到力矩输出，得到仿真结果如图5所示。图4力矩模式仿真实例时间/s时间/s（a）m=0.5kg（b）m=0.3kg图5力矩模式仿真曲线（2）速度模式仿真在图6中，把控制模式开关打到速度开关上，然后按照以上转矩模式仿真的负载参数设定，输入速度参考值W=0.5rad/s，改变负载质量m=0.3kg，然后调节速度PI控制器，最后在IV功能区选择到速度输出，得到仿真结果如图7所示。图6速度模式仿真实例为了能够精确对伺服电机在各种模式下的控制，在MATLAB中Simulink建立直流伺服电机的3种模式仿真，本文基于摆臂系统而生成的仿真，摆臂系统的受力分析简图如图2所示。图2摆臂系统的受力分析简图m.摆臂的质量L.摆臂质心的距离θ.摆臂轴线与铅垂位置的夹角摆臂系统的动力学方程如式（1）所示，摆臂系统平衡时电机的输出力矩T=mgnLsinθ（1）本文选择的直流伺服电机为MAXON公司的盘式电机，其技术参数如表1所示，伺服电机的减速比为25（谐波减速机）。表1直流伺服电机的技术参数表3基于Simulink的仿真实现根据摆臂系统的动力学方程，在Simulink中建立伺服电机3种控制模式仿真，如图3所示。第39卷第01期Vol.39No.01直流伺服电机控制模式的仿真———冷炳营，等额定电压/V48额定转速/r·min-11610额定转矩/Nm0.533空载转速/r·min-12080空载电流/A0.134转矩常数/Nm·A－10.217速度常数/rpm·v－144转子惯量/g·cm-23060电机电阻/Ω2.28电机电感/mH2.5机械时间常数/ms14.8图3直流伺服电机3种控制模式仿真I功能区.控制模式选择与输入区II功能区.摆臂负载量的设定与输入III功能区.伺服电机系统IV功能区.力矩、转速和位置的输出θLmSpeedPositionSwitchTorqueSpeedSwitch-0.5to0.5ReferenceTorqueMReferenceSpeedWRefPI（s）SpeedControllerSpeedPositionSwitchTorqueSpeedSwitch-0.5to0.5SS_ValueOutTcSystemDelayRefPID(s)0.0148UserDelayPositionController1u×3.06e-04Square0.37525sin+motorinertiaEquivalentInertiaofLoadReciprocalsofInertiaLoadInertiaRateRatioWReferenceTorqueMechanicalConstantRefPI(s)SpeedControllerSpeedPositionSwitchTorqueSpeedSwitch-0.5to0.5ReferenceSpeedMReferencePositionu2EquivalentTorqueofLoad+1u×GravitationalMomentm*g*LReciprocalsofRateRatioRefPI(s)TorqueController+48V-1/L1s-K--K-+-InductancecurrentResistanceKm×1s1s180/piMotorTorqueConvertiontoDegreeRotorSpeedRotorPositionⅠⅣⅡⅢP力矩/Nm123412340.40.30.20.100.40.30.20.10力矩/Nm135中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

时间/s（a）m=0.5kg时间/s（b）m=0.3kg图7速度模式仿真曲线（3）位置模式仿真在图8中，把控制模式开关打到位置开关上，然后按照以上参数设定，改变负载质量m=0.3kg，因为位置控制最麻烦，所以通过调节位置PID控制器，最后在IV功能区选择到位置输出上，得到的伺服电机位置模式仿真结果，如图9所示。图8位置模式仿真实例时间/s图9位置模式仿真曲线1.实际曲线2.输入曲线由图9可知，由于机械时间常数的延迟特性，得到的实际曲线比输入曲线稍微延迟，并且有适当的超调量，但是总体趋势一致，所以控制器设计合理。4结语本文对伺服电机的控制进行了学习与研究，利用MATLAB下Simulink工具进行仿真的建立，并采用PID的形式来设计控制器，以摆臂系统为例进行对伺服电机的力矩、速度和位置进行控制仿真。验证了当控制器确定了，无论外部负载如何变化，只要在直流伺服电机的额定扭矩范围内，直流伺服电机不会因负载变化而改变控制特性。参考文献：［1］阮毅，陈维钧．运动控制系统［M］.北京：清华大学出版社,2006．［2］羊彦，景占荣，毕强，等．无刷直流电动机数字PID控制的研究［J］.电机与控制学报，2003，7(4)：299-302．［3］曾光，李新民，辛建坤，等．永磁同步电动机的电流比较控制及速度预测控制［J］.西安理工大学学报，2003，19(2)：110-114．［4］孙忠潇.Simulink仿真及代码生成技术入门到精通［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2015．［5］白志刚.自动调节系统解析与PID整定［M］.北京:化学工业出版社,2012．［6］杨平,邓亮,徐春梅,等.PID控制器参数整定方法及应用［M］.北京：中国电力出版社，2016．作者简介：冷炳营（1990-），山东临沂人，硕士研究生，研究方向：机器人，电子信箱：439032409@qq.com.责任编辑：吕振明收稿日期：2017－11－03第39卷第01期Vol.39No.01直流伺服电机控制模式的仿真———冷炳营，等速度/rad·s-112340.60.50.40.30.20.105位置/（°）1251234105100959085807570SpeedPositionSwitchTorqueSpeedSwitch-0.5to0.5PositionControllerPMechanicalConstant0.0148UserDelayReferencePositionSS_ValueOutSystemDelayTcRefPID（s）12340.60.50.40.30.20.105速度/rad·s-1136中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net