基于模糊控制的永磁同步电动机速度控制系统研究(2)
2 永磁同步电动机的基本原理及控制策略
2．1 永磁同步电动机的特性
2.1.1 永磁同步电动机特点
永磁同步电动机的组成部分包括定子和转子，电动机的特点[13]如下：
1）电源频率和电动机的转速始终是同步的。
2）永磁同步电动机的机械特性相对较硬。
3）即使转速很低，电机也可以运行的很好，它的调速范围很宽。
2.1.2 永磁同步电动机控制系统
根据生产机械的要求，电力拖动自动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型[14]。通常都是控制转速来达到控制这些系统的目的，所以，在电力拖动控制系统中，最基本的就是调速系统。
直流伺服系统和交流伺服系统，在使用电流闭环控制后，它们的控制对象数学模型相同，即具有“统一模型”。所以，在设计交流或者直流伺服控制器时，可以用相同的方法。为了简化系统模型，方便研究，本论文仿真使用了直流电动机模型。
普通的直流电动机稳态转速表示为
其中，n代表转速，U、I和R分别代表电枢电压、电流和回路总电阻，Ke是电动势常数，它是由电机的结构决定的。
虽然有三种调节电机转速的方法，最常用的是控制电枢电压来调节转速，因为这样可以在一定的范围里面完成无级平滑调速。在本论文中，采用的控制系统也是通过控制电压信号来使转速改变的。
2.1.3 调速系统的控制策略
有很多调速系统经常需要正、反转运行，比如龙门刨床，所以，想要提高生产率，最重要的因素是缩短起、制动两个过程的时间。因此，在起动的过渡过程中，希望调速系统始终以最大的加速度来运行[15]，所以希望电流始终保持在允许的最大值。当转速达到稳态转速时，让电流立刻下降，以平衡电磁转矩和负载转矩，系统可以立即转入稳态。这是理想的起动过程。制动过程与起动过程类似。
2.1 理想过渡过程图
可以看出，起动过程是一个矩形波，起动时，转速呈线性递增，到达稳态时，电流值迅速降低，转速保持为定值。这种方法，是在系统最大的电流受到限制的情况下，调速系统能达到的最快起动过程。所以，控制后的电流输出信号应该是分段的。但实际情况下，电流无法突然变化。为了尽量完成最快起动，重点就要添加电流负反馈让电流保持在最大值。在到达稳态的转速后，利用转速负反馈让转速不变，这时电流负反馈不需要再起作用。两种负反馈既要共存，又不能在同一时刻起作用，所以需要两个调节器，分别调节电流和转速。将这两种调节器串联，电流环是内环，外环是转速环，就组成了双闭环调速系统。
使用经典PID控制方法来控制电机时，通常用PI调节器控制就可以达到不错的效果[16]。
2.2 系统稳态结构图
当然，上述经典控制方法是在理想情况下的，即电动机模型参数始终不变，并且外界没有任何干扰。但是，永磁同步电动机的控制对象和外界环境都是复杂而多变的，而且它的动态性能会随着这些变化而一起变化，正是这些，使系统的模型无法在每个时刻都准确描述系统[17]。但是模糊控制提供了一种可能，它利用专家经验，将人为判断的自然语言转化为机器可以识别的语言，所以，即使对于无法得到精确模型的系统，即有模糊化的系统，模糊控制也可以很好的完成控制任务，这种方法在处理有很大不精确和不确定性的控制系统中收益很大。
3 模糊控制
3．1 模糊控制基本原理
模糊控制的基本思想就是，人类专家对某个被控对象或者过程有特定的控制策略，他们将这些控制策略总结，并且用“if(条件)then(作用)”这种形式表示出来，形成控制规则。这种控制规则的条件和结论都是用诸如“正大”、“负大”、“高”、“低”、“正常”等的语句来描述的[18]。