基于模糊控制的永磁同步电机伺服系统研究

李翠强

摘 要：如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的控制策略越来越受到人们的关注。模糊控制理论作为计算机信息技术以及数字技术高速发展的产物，近年来在智能控制领域得到了广泛的应用，并取得了更好的控制效果。本文主要介绍了基于模糊控制的永磁同步电机伺服系统研究。

关键词：模糊控制；永磁同步电机；伺服系统；PID

随着现代科技的高速发展，现代工业发展追求更加智能化、自动化以及高精度的工业生产。应用于工业生产的生产系统精度越高、自动化程度越高，就需要更加高控制强度、精度的控制系统去提升自动化工业生产的可靠性和稳定性。对永磁同步电机伺服系统的研究在我国已经发展了一段时间，目前也取得了一些经典性的科技成果，例如传统的PID控制器。但从该系统自身的发展而言，它追求的是更快的响应速度、更稳定的过渡过程、更可靠的抗感染性能等。实践证明，用经典控制理论设计的控制器有时难免会使控制系统不能满足更高性能指标要求。因此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的控制策略越来越受到人们的关注。模糊控制理论作为计算机信息技术以及数字技术高速发展的产物，近年来在智能控制领域得到了广泛的应用，并取得了更好的控制效果。本文主要介绍了基于模糊控制的永磁同步电机伺服系统研究。

1 模糊控制理论概述

模糊控制系统是一种非线性的自动控制系统，它的理论基础为模糊语言、模糊逻辑推理以及模糊数学算法，其核心技术均通过计算机计算操作，同时是一种具有闭环结构的智能数字控制系统。模糊控制系统的原理在于人为的设定控制规则，利用计算机数语言进行变量描述，通过相关的计算算法、控制流程，实现对系统的模糊控制。模糊控制系统的主要应用形式为模糊控制器，主要由模糊化、模糊推理、模糊规则和解模糊化组成。

1.1模糊化

模糊化是模糊控制的基础，它的主要作用是利用模糊的概念将输入到系统的相关精准值转换成模糊化量，模糊化的主要流程为：输入量——判定是否满足模糊控制的要求——进行尺度变化，使其满足模糊论域范围——模糊处理——输出模糊量、模糊集合。

1.2 模糊规则

模糊规则的设置往往是基于实践经验和已经成熟的理论，它本身并不是绝对的，具有一定的可变性。模糊规则与数据库同时被放置在知识库中，数据库中主要存贮大量的隶属度函数、模糊空间的分级数和尺度变换因子。规则库中主要有多种基于控制专家的经验和知识建立的控制规则，这些控制规则是用来表示模糊语言变量的。

1.3 模糊推理

模糊推理实际上是一种拟人化能力，在模糊规则的指导下，以模拟概念为中心模拟人的思维模式去对实施模糊控制，模糊推理的实质就是按照模糊控制规则，将输入量进行推理，最终用模糊语言变量值表示出来。

1.4 解模糊化

解模糊化的目的是将模糊推理后得到的模糊变量变为用于实际控制的精准量，其主要过程可分为：首先，将模糊量进行解模糊变为论域范围的精准量；再者，将得到论域精准量进行尺度变换变为实际输出的控制量。

2 永磁同步电机伺服系统控制理论

2.1 永磁同步电机伺服组成与工作原理

永磁同步直线电机与旋转电机在结构上和工作原理上都十分相似，实际上，直线电机是由旋转电机演变而来的，其结构差异在于直线电机的定子和转子是呈现直线方向展开的。直线电机的组成包含两个部分，与旋转电机中的定子和转子相对的，分别称之为初级和次级。以最为普通的平板式永磁同步直线电机为例，其初级为线圈绕组，一般由三相绕组和电枢铁心构成，其次级通常为永磁体，永磁体一般以单排或者多排的方式贴装在结构件上。

2.2 工作原理

当向直线电机的三相绕组通三相对称的交流电流后，将会在初级与次级之间的形成气隙磁场。在忽略边端效应的情况下，可近似认为其呈正弦分布。与旋转电机的气隙磁场形成原理相类似，随着绕组中三相交流电流的变化，气隙磁场将沿直线运动一定顺序形成“行波磁场”，在永磁同步直线电機中，其电磁推力是由永磁体的励磁磁场与气隙中的行波磁场相互作用而形成的作用力，其大小也会随着初级和次级相对位置的变化而变化。

2.3 矢量控制原理

根据上述所分析的永磁同步电机伺服系统的工作原理以及基本构成克制，系统的核心能量在于电能。想要提升实现伺服系统的控制精准度，必须要保证速度的响应快速稳定，而决定速度响应的高性能控制则取决于对同步电机中的电流控制。矢量控制原理就是目前状态下发展的极为成熟的电流控制理论。

矢量控制原理是利用检测确定电机磁通的的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁通位置。

对于永磁同步电机而言，采用矢量控制实质上是对其初级的电流矢量的空间位置以及幅值进行控制。其工作流程主要可以分为两个步骤，首先是利用磁场的形象坐标，将经过初级的电流矢量进行分解，得到相互分离的两个矢量分量，并同时对其分别控制。按照永磁同步电机用途不同，电机电流矢量的控制方法也各不相同，不同控制方法具有不同的优缺点。

3 模糊理论在永磁同步电机伺服系统中的应用研究

3.1 速度环模糊PID控制器

PID控制是一种已经发展极为成熟的控制理论，其实现简单且具有一定的控制精度，目前在控制领域里应用也极为广泛。但是PID控制受到模型精准度以及线性时变的条件约束，很难应用至具有显著非线性特征的永磁同步直线电机中，

对于要求高速、高精度、响应快且负载经常变化的永磁同步直线电机伺服系统来说，仅仅只靠 PID 控制显然很难达到令人满意的控制效果。但基于对PID控制技术成熟的实践操作流程的考量，将模糊控制与PID控制算法结合起来，能够取二者之长，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变化率的计算：利用控制器的输入量减去输出的反馈量

模糊控制器的输入变量计算：利用速度的偏差量和偏差变化率作为原始书库，作为PID控制器的输入了，进行模糊化后得到两个语言变量。

模糊控制器中的模糊化计算：根据相关的模糊规则进行模糊处理，经过模糊推理和解模糊化后得到输出量，并根据相关的计算公式得到PID控制器的变化量。

输出值的计算：所得的PID控制器参数的变化量与其初始值相加得到 PID 控制器一组新的参数值。

3.2 电流环和位置环控制器

永磁同步直线电机伺服系统采用电流环、速度环、位置环控制，需由内环往外环，逐步进行控制。

电流环作为最内环，是实现系统高精度、快响应控制的基础，是改善系统性能的关键。电流环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-积分控制规律的控制器。PI控制综合了比例控制快速消除干扰的作用和积分控制消除稳态误差的作用。特别需注意的是，比例增益不宜过大，否则会产生磁噪声和推力波动。

位置环是系统的最外环，体现是的系统的静态性能，决定了系统的控制精度。 由位置指令与光栅系统反馈的位置信号做差分，再与比例增益相乘，得到速度环的输入。可根据工程的经验，现场在线调试，对比监测到的命令位置波形与实际位置响应波形，需达到无位置超调，且稳态误差为零的控制效果。

4 结语

随着计算机信息技术的进一步发展，基于模糊理论的永磁直线电机伺服系统的研究将会进一步的深入，我们不仅应该从理论方向去完善对其的深入科研，还应该加强对其实践论证，促进伺服系统自动化、智能化控制的发展。

参考文献：

[1]孙巨禄，苏鹏声，李永东.自调整模糊控制器在异步电机矢量控制系统中的应用[J].清华大学学报： 自然科学版.2002（09）：1151-1153.

[2] 林正，金阿水，钟德刚.永磁同步电机伺服控制技术的发展回顾[J].中小型电机.2004（06）：45-49.