基于模糊控制的永磁同步電機伺服系統研究

李翠強

摘 要：如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的控制策略越來越受到人們的關注。模糊控制理論作為計算機信息技術以及數字技術高速發展的產物，近年來在智能控制領域得到了廣泛的應用，并取得了更好的控制效果。本文主要介紹了基于模糊控制的永磁同步電機伺服系統研究。

關鍵詞：模糊控制；永磁同步電機；伺服系統；PID

隨著現代科技的高速發展，現代工業發展追求更加智能化、自動化以及高精度的工業生產。應用于工業生產的生產系統精度越高、自動化程度越高，就需要更加高控制強度、精度的控制系統去提升自動化工業生產的可靠性和穩定性。對永磁同步電機伺服系統的研究在我國已經發展了一段時間，目前也取得了一些經典性的科技成果，例如傳統的PID控制器。但從該系統自身的發展而言，它追求的是更快的響應速度、更穩定的過渡過程、更可靠的抗感染性能等。實踐證明，用經典控制理論設計的控制器有時難免會使控制系統不能滿足更高性能指標要求。因此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的控制策略越來越受到人們的關注。模糊控制理論作為計算機信息技術以及數字技術高速發展的產物，近年來在智能控制領域得到了廣泛的應用，并取得了更好的控制效果。本文主要介紹了基于模糊控制的永磁同步電機伺服系統研究。

1 模糊控制理論概述

模糊控制系統是一種非線性的自動控制系統，它的理論基礎為模糊語言、模糊邏輯推理以及模糊數學算法，其核心技術均通過計算機計算操作，同時是一種具有閉環結構的智能數字控制系統。模糊控制系統的原理在于人為的設定控制規則，利用計算機數語言進行變量描述，通過相關的計算算法、控制流程，實現對系統的模糊控制。模糊控制系統的主要應用形式為模糊控制器，主要由模糊化、模糊推理、模糊規則和解模糊化組成。

1.1模糊化

模糊化是模糊控制的基礎，它的主要作用是利用模糊的概念將輸入到系統的相關精準值轉換成模糊化量，模糊化的主要流程為：輸入量——判定是否滿足模糊控制的要求——進行尺度變化，使其滿足模糊論域范圍——模糊處理——輸出模糊量、模糊集合。

1.2 模糊規則

模糊規則的設置往往是基于實踐經驗和已經成熟的理論，它本身并不是絕對的，具有一定的可變性。模糊規則與數據庫同時被放置在知識庫中，數據庫中主要存貯大量的隸屬度函數、模糊空間的分級數和尺度變換因子。規則庫中主要有多種基于控制專家的經驗和知識建立的控制規則，這些控制規則是用來表示模糊語言變量的。

1.3 模糊推理

模糊推理實際上是一種擬人化能力，在模糊規則的指導下，以模擬概念為中心模擬人的思維模式去對實施模糊控制，模糊推理的實質就是按照模糊控制規則，將輸入量進行推理，最終用模糊語言變量值表示出來。

1.4 解模糊化

解模糊化的目的是將模糊推理后得到的模糊變量變為用于實際控制的精準量，其主要過程可分為：首先，將模糊量進行解模糊變為論域范圍的精準量；再者，將得到論域精準量進行尺度變換變為實際輸出的控制量。

2 永磁同步電機伺服系統控制理論

2.1 永磁同步電機伺服組成與工作原理

永磁同步直線電機與旋轉電機在結構上和工作原理上都十分相似，實際上，直線電機是由旋轉電機演變而來的，其結構差異在于直線電機的定子和轉子是呈現直線方向展開的。直線電機的組成包含兩個部分，與旋轉電機中的定子和轉子相對的，分別稱之為初級和次級。以最為普通的平板式永磁同步直線電機為例，其初級為線圈繞組，一般由三相繞組和電樞鐵心構成，其次級通常為永磁體，永磁體一般以單排或者多排的方式貼裝在結構件上。

2.2 工作原理

當向直線電機的三相繞組通三相對稱的交流電流后，將會在初級與次級之間的形成氣隙磁場。在忽略邊端效應的情況下，可近似認為其呈正弦分布。與旋轉電機的氣隙磁場形成原理相類似，隨著繞組中三相交流電流的變化，氣隙磁場將沿直線運動一定順序形成“行波磁場”，在永磁同步直線電機中，其電磁推力是由永磁體的勵磁磁場與氣隙中的行波磁場相互作用而形成的作用力，其大小也會隨著初級和次級相對位置的變化而變化。

2.3 矢量控制原理

根據上述所分析的永磁同步電機伺服系統的工作原理以及基本構成克制，系統的核心能量在于電能。想要提升實現伺服系統的控制精準度，必須要保證速度的響應快速穩定，而決定速度響應的高性能控制則取決于對同步電機中的電流控制。矢量控制原理就是目前狀態下發展的極為成熟的電流控制理論。

矢量控制原理是利用檢測確定電機磁通的的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣電機的轉矩便只和磁通、電流有關，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與轉子機械位置相同，這樣通過檢測轉子實際位置就可以得知電機轉子磁通位置。

對于永磁同步電機而言，采用矢量控制實質上是對其初級的電流矢量的空間位置以及幅值進行控制。其工作流程主要可以分為兩個步驟，首先是利用磁場的形象坐標，將經過初級的電流矢量進行分解，得到相互分離的兩個矢量分量，并同時對其分別控制。按照永磁同步電機用途不同，電機電流矢量的控制方法也各不相同，不同控制方法具有不同的優缺點。

3 模糊理論在永磁同步電機伺服系統中的應用研究

3.1 速度環模糊PID控制器

PID控制是一種已經發展極為成熟的控制理論，其實現簡單且具有一定的控制精度，目前在控制領域里應用也極為廣泛。但是PID控制受到模型精準度以及線性時變的條件約束，很難應用至具有顯著非線性特征的永磁同步直線電機中，

對于要求高速、高精度、響應快且負載經常變化的永磁同步直線電機伺服系統來說，僅僅只靠 PID 控制顯然很難達到令人滿意的控制效果。但基于對PID控制技術成熟的實踐操作流程的考量，將模糊控制與PID控制算法結合起來，能夠取二者之長，提升控制效率。

模糊PID控制器的工作算法流程如下：

速度的偏差量和偏差變化率的計算：利用控制器的輸入量減去輸出的反饋量

模糊控制器的輸入變量計算：利用速度的偏差量和偏差變化率作為原始書庫，作為PID控制器的輸入了，進行模糊化后得到兩個語言變量。

模糊控制器中的模糊化計算：根據相關的模糊規則進行模糊處理，經過模糊推理和解模糊化后得到輸出量，并根據相關的計算公式得到PID控制器的變化量。

輸出值的計算：所得的PID控制器參數的變化量與其初始值相加得到 PID 控制器一組新的參數值。

3.2 電流環和位置環控制器

永磁同步直線電機伺服系統采用電流環、速度環、位置環控制，需由內環往外環，逐步進行控制。

電流環作為最內環，是實現系統高精度、快響應控制的基礎，是改善系統性能的關鍵。電流環控制器主要才用了矢量控制方法，其控制器主要采用的是PI 控制器是具有比例-積分控制規律的控制器。PI控制綜合了比例控制快速消除干擾的作用和積分控制消除穩態誤差的作用。特別需注意的是，比例增益不宜過大，否則會產生磁噪聲和推力波動。

位置環是系統的最外環，體現是的系統的靜態性能，決定了系統的控制精度。 由位置指令與光柵系統反饋的位置信號做差分，再與比例增益相乘，得到速度環的輸入。可根據工程的經驗，現場在線調試，對比監測到的命令位置波形與實際位置響應波形，需達到無位置超調，且穩態誤差為零的控制效果。

4 結語

隨著計算機信息技術的進一步發展，基于模糊理論的永磁直線電機伺服系統的研究將會進一步的深入，我們不僅應該從理論方向去完善對其的深入科研，還應該加強對其實踐論證，促進伺服系統自動化、智能化控制的發展。

參考文獻：

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