基于模糊控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究

李翠強(qiáng)

摘 要：如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的控制策略越來(lái)越受到人們的關(guān)注。模糊控制理論作為計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，近年來(lái)在智能控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(jī)伺服系統(tǒng)研究。

關(guān)鍵詞：模糊控制；永磁同步電機(jī)；伺服系統(tǒng)；PID

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展追求更加智能化、自動(dòng)化以及高精度的工業(yè)生產(chǎn)。應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)精度越高、自動(dòng)化程度越高，就需要更加高控制強(qiáng)度、精度的控制系統(tǒng)去提升自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展了一段時(shí)間，目前也取得了一些經(jīng)典性的科技成果，例如傳統(tǒng)的PID控制器。但從該系統(tǒng)自身的發(fā)展而言，它追求的是更快的響應(yīng)速度、更穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程、更可靠的抗感染性能等。實(shí)踐證明，用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)的控制器有時(shí)難免會(huì)使控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足更高性能指標(biāo)要求。因此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的控制策略越來(lái)越受到人們的關(guān)注。模糊控制理論作為計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，近年來(lái)在智能控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(jī)伺服系統(tǒng)研究。

1 模糊控制理論概述

模糊控制系統(tǒng)是一種非線(xiàn)性的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它的理論基礎(chǔ)為模糊語(yǔ)言、模糊邏輯推理以及模糊數(shù)學(xué)算法，其核心技術(shù)均通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算操作，同時(shí)是一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的智能數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的原理在于人為的設(shè)定控制規(guī)則，利用計(jì)算機(jī)數(shù)語(yǔ)言進(jìn)行變量描述，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算算法、控制流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的模糊控制。模糊控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用形式為模糊控制器，主要由模糊化、模糊推理、模糊規(guī)則和解模糊化組成。

1.1模糊化

模糊化是模糊控制的基礎(chǔ)，它的主要作用是利用模糊的概念將輸入到系統(tǒng)的相關(guān)精準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換成模糊化量，模糊化的主要流程為：輸入量——判定是否滿(mǎn)足模糊控制的要求——進(jìn)行尺度變化，使其滿(mǎn)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(guī)則

模糊規(guī)則的設(shè)置往往是基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和已經(jīng)成熟的理論，它本身并不是絕對(duì)的，具有一定的可變性。模糊規(guī)則與數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)被放置在知識(shí)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)中主要存貯大量的隸屬度函數(shù)、模糊空間的分級(jí)數(shù)和尺度變換因子。規(guī)則庫(kù)中主要有多種基于控制專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)建立的控制規(guī)則，這些控制規(guī)則是用來(lái)表示模糊語(yǔ)言變量的。

1.3 模糊推理

模糊推理實(shí)際上是一種擬人化能力，在模糊規(guī)則的指導(dǎo)下，以模擬概念為中心模擬人的思維模式去對(duì)實(shí)施模糊控制，模糊推理的實(shí)質(zhì)就是按照模糊控制規(guī)則，將輸入量進(jìn)行推理，最終用模糊語(yǔ)言變量值表示出來(lái)。

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?yōu)橛糜趯?shí)際控制的精準(zhǔn)量，其主要過(guò)程可分為：首先，將模糊量進(jìn)行解模糊變?yōu)檎撚蚍秶木珳?zhǔn)量；再者，將得到論域精準(zhǔn)量進(jìn)行尺度變換變?yōu)閷?shí)際輸出的控制量。

2 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制理論

2.1 永磁同步電機(jī)伺服組成與工作原理

永磁同步直線(xiàn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上和工作原理上都十分相似，實(shí)際上，直線(xiàn)電機(jī)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來(lái)的，其結(jié)構(gòu)差異在于直線(xiàn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子是呈現(xiàn)直線(xiàn)方向展開(kāi)的。直線(xiàn)電機(jī)的組成包含兩個(gè)部分，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子相對(duì)的，分別稱(chēng)之為初級(jí)和次級(jí)。以最為普通的平板式永磁同步直線(xiàn)電機(jī)為例，其初級(jí)為線(xiàn)圈繞組，一般由三相繞組和電樞鐵心構(gòu)成，其次級(jí)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(jié)構(gòu)件上。

2.2 工作原理

當(dāng)向直線(xiàn)電機(jī)的三相繞組通三相對(duì)稱(chēng)的交流電流后，將會(huì)在初級(jí)與次級(jí)之間的形成氣隙磁場(chǎng)。在忽略邊端效應(yīng)的情況下，可近似認(rèn)為其呈正弦分布。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)形成原理相類(lèi)似，隨著繞組中三相交流電流的變化，氣隙磁場(chǎng)將沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一定順序形成“行波磁場(chǎng)”，在永磁同步直線(xiàn)電機(jī)中，其電磁推力是由永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)與氣隙中的行波磁場(chǎng)相互作用而形成的作用力，其大小也會(huì)隨著初級(jí)和次級(jí)相對(duì)位置的變化而變化。

2.3 矢量控制原理

根據(jù)上述所分析的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的工作原理以及基本構(gòu)成克制，系統(tǒng)的核心能量在于電能。想要提升實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)度，必須要保證速度的響應(yīng)快速穩(wěn)定，而決定速度響應(yīng)的高性能控制則取決于對(duì)同步電機(jī)中的電流控制。矢量控制原理就是目前狀態(tài)下發(fā)展的極為成熟的電流控制理論。

矢量控制原理是利用檢測(cè)確定電機(jī)磁通的的位置及幅值來(lái)控制定子電流或電壓，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通位置。

對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，采用矢量控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)其初級(jí)的電流矢量的空間位置以及幅值進(jìn)行控制。其工作流程主要可以分為兩個(gè)步驟，首先是利用磁場(chǎng)的形象坐標(biāo)，將經(jīng)過(guò)初級(jí)的電流矢量進(jìn)行分解，得到相互分離的兩個(gè)矢量分量，并同時(shí)對(duì)其分別控制。按照永磁同步電機(jī)用途不同，電機(jī)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(yōu)缺點(diǎn)。

3 模糊理論在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

3.1 速度環(huán)模糊PID控制器

PID控制是一種已經(jīng)發(fā)展極為成熟的控制理論，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且具有一定的控制精度，目前在控制領(lǐng)域里應(yīng)用也極為廣泛。但是PID控制受到模型精準(zhǔn)度以及線(xiàn)性時(shí)變的條件約束，很難應(yīng)用至具有顯著非線(xiàn)性特征的永磁同步直線(xiàn)電機(jī)中，

對(duì)于要求高速、高精度、響應(yīng)快且負(fù)載經(jīng)常變化的永磁同步直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，僅僅只靠 PID 控制顯然很難達(dá)到令人滿(mǎn)意的控制效果。但基于對(duì)PID控制技術(shù)成熟的實(shí)踐操作流程的考量，將模糊控制與PID控制算法結(jié)合起來(lái)，能夠取二者之長(zhǎng)，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(jì)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(jì)算：利用速度的偏差量和偏差變化率作為原始書(shū)庫(kù)，作為PID控制器的輸入了，進(jìn)行模糊化后得到兩個(gè)語(yǔ)言變量。

模糊控制器中的模糊化計(jì)算：根據(jù)相關(guān)的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊處理，經(jīng)過(guò)模糊推理和解模糊化后得到輸出量，并根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式得到PID控制器的變化量。

輸出值的計(jì)算：所得的PID控制器參數(shù)的變化量與其初始值相加得到 PID 控制器一組新的參數(shù)值。

3.2 電流環(huán)和位置環(huán)控制器

永磁同步直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制，需由內(nèi)環(huán)往外環(huán)，逐步進(jìn)行控制。

電流環(huán)作為最內(nèi)環(huán)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度、快響應(yīng)控制的基礎(chǔ)，是改善系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。電流環(huán)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(guī)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(wěn)態(tài)誤差的作用。特別需注意的是，比例增益不宜過(guò)大，否則會(huì)產(chǎn)生磁噪聲和推力波動(dòng)。

位置環(huán)是系統(tǒng)的最外環(huán)，體現(xiàn)是的系統(tǒng)的靜態(tài)性能，決定了系統(tǒng)的控制精度。 由位置指令與光柵系統(tǒng)反饋的位置信號(hào)做差分，再與比例增益相乘，得到速度環(huán)的輸入。可根據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)調(diào)試，對(duì)比監(jiān)測(cè)到的命令位置波形與實(shí)際位置響應(yīng)波形，需達(dá)到無(wú)位置超調(diào)，且穩(wěn)態(tài)誤差為零的控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于模糊理論的永磁直線(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究將會(huì)進(jìn)一步的深入，我們不僅應(yīng)該從理論方向去完善對(duì)其的深入科研，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)其實(shí)踐論證，促進(jìn)伺服系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化控制的發(fā)展。

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