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基于模糊PI控制的PMSM位置伺服系统仿真
摘要：
随着近年来控制理论的不断发展，越来越多的研究者开始关注基于模糊控制理论的电机控制，尤其是在直流电机、永磁同步电机和感应电机等领域。本文利用MATLAB/Simulink软件搭建PMSM位置伺服系统模型，采用模糊PI控制算法实现PMSM转子位置控制，通过仿真其控制效果，研究了模糊控制算法在PMSM控制中的应用。
关键词：模糊控制；PI控制；PMSM；位置控制；仿真；MATLAB
1.引言
本文研究的对象是一种永磁同步电机（PMSM），它在工业生产中有着广泛的应用，因其结构简单、工作可靠且效率高等特点。PMSM控制是提高电动汽车、电机驱动器等中的系统性能的重要研究方向。在PMSM控制中，位置控制是最基本的控制方式，也是最常见的控制应用之一。本文利用MATLAB/Simulink软件搭建PMSM位置伺服系统模型，采用模糊PI控制算法实现PMSM转子位置控制，通过仿真其控制效果，研究了模糊控制算法在PMSM控制中的应用。
2.PMSM位置控制的基本原理
PMSM位置控制是指控制PMSM电机的转子位置，使其达到预定的目标位置。PMSM位置控制主要分为开环控制和闭环控制两种。开环控制主要是指通过直接控制电机的输入电压和频率，实现电机的转子位置控制，不需要传感器反馈。由于PMSM传动系统的拖动实际上相当于一个高通滤波器，因此，开环控制方法具有自动抑制低频干扰的优点，但精度较低，容易受到负载变化和转速变化的影响。闭环控制是指通过传感器反馈，来实现对PMSM电机转子位置的控制。控制方法可以采用PI控制、PID控制等。本文基于闭环控制原理，利用模糊PI控制算法实现PMSM位置控制。
3.模糊PI控制算法
模糊控制理论是一种新兴的控制方法，它能够在不知道系统数学模型和其物理特性时对系统进行控制，并且具有一定的适应性和容错性。模糊控制算法分为模糊控制器和模糊推理机两部分。
（1）模糊控制器
模糊控制器主要由两个环节构成：模糊化和解模糊化。模糊化是将输入信号映射到一组模糊语言变量并确定每个语言变量的隶属度函数。解模糊化将隶属度函数转换为一个具体的输出值。
（2）模糊推理机
模糊推理机是模糊控制器的核心部分，它由三部分组成：一是模糊规则库，它由一组IF-THEN规则组成；二是模糊推理机，它根据模糊规则库和输入变量的隶属度函数来计算控制输出；三是解模糊化器，它将模糊推理机输出的模糊语言变量转换为一个确切的输出值。
4.PMSM位置控制系统模型
本文采用SIMULINK软件搭建了PMSM位置控制系统模型，包括PMSM电机模型、速度环路控制器模型和位置环路控制器模型。速度环路控制器模型采用PI控制算法，位置环路控制器模型采用模糊PI控制算法，具体框图如下所示。
5.仿真分析
为了验证模糊PI控制算法在PMSM位置控制中的有效性，本文进行了一系列的仿真实验。将模型参数设置为L=1.5mH，R=0.5Ω，p=4，J=0.03kg•m2等。通过调节目标位置，得到转子位置随时间变化的曲线，分别比较了PID控制、PI控制和模糊PI控制在位置控制方面的性能。
（1）PID控制曲线
（2）PI控制曲线
（3）模糊PI控制曲线
从上图中可以看出，通过模糊PI算法得到的转子位置控制曲线更加平稳、精确，二阶振荡平台缩短，过渡时间更短，变化范围小。从而能够更好地满足PMSM位置控制的实际应用要求。
6.结论
本文基于MATLAB/Simulink软件，建立了PMSM位置伺服系统模型，并分别采用PID控制、PI控制和模糊PI控制算法进行控制。通过仿真分析表明，相对于传统的PI控制和PID控制，模糊PI控制在控制效果和控制质量方面都有所提高，可以更好地满足PMSM位置控制系统的实际应用。因此，在PMSM控制系统的位置控制中，模糊控制算法具有一定的优势和前景。