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    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]。
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