PMLSM的改進型模糊直接推力控制

摘 要：為了解決傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)存在的磁鏈控制不對稱及較大推力脈動等問題，提出了將扇區(qū)細分與模糊控制相結(jié)合的改進型模糊直接推力控制（DFC）系統(tǒng)。建立了永磁直線同步電機（PMLSM）改進型模糊直接推力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行了仿真。實驗結(jié)果證明改進型模糊DFC方法能夠有效改善磁鏈軌跡，減小脈動，提高系統(tǒng)控制性能。

關(guān)鍵詞：永磁直線同步電機 模糊直接推力控制 扇區(qū)細分

中圖分類號：TM359.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0081-02

直接推力控制（DFC）是在直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，專用于直線電機傳動系統(tǒng)的控制方法[5]。傳統(tǒng)DTC采用滯環(huán)比較的方式控制磁鏈及推力，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩響應(yīng)遲鈍，造成轉(zhuǎn)矩脈動增大。為改善DTC系統(tǒng)性能，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的研究工作，文獻[1]采用模糊控制器取代滯環(huán)比較的方式，這種方法通常缺少精確的確定依據(jù)；文獻[2]針對異步電機DTC控制，提出把傳統(tǒng)的6扇區(qū)控制改為12扇區(qū)，以改善控制性能，但是控制效果不明顯。

本文通過對傳統(tǒng)DFC中的磁鏈和推力脈動進行分析，提出了模糊DFC策略，同時根據(jù)模糊DFC的基本原理，將扇區(qū)細分與模糊控制器相結(jié)合，設(shè)計出改進型模糊控制器，重新設(shè)計了隸屬度及控制規(guī)則。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

1.1 PMLSM的數(shù)學(xué)模型

三相電壓（或電流）由靜止ABC軸到軸的坐標變換公式為：

（1）

式中，表示電壓或電流，是實測的次級磁極軸線位置。

在軸下，PMLSM的電壓方程和磁鏈方程為：

（2）

式中，、分別為初級繞組電壓的軸分量；、為軸電流分量；、為初級磁鏈的軸分量；、為軸電感；為永磁體有效磁鏈；為直線電機同步線速度。為極距。

2 改進型模糊DFC系統(tǒng)

為克服傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)中通過滯環(huán)比較器及開關(guān)表選擇電壓空間矢量而造成的較大的磁鏈和推力脈動，本文將模糊控制器取代滯環(huán)比較器，通過模糊邏輯將初級磁鏈與推力差值的大小進行模糊分級，并結(jié)合初級磁鏈位置信息根據(jù)不同等級作不同決策來優(yōu)化空間電壓矢量的選擇。

經(jīng)文獻[7]分析可知，磁鏈增量在傳統(tǒng)6扇區(qū)劃分中，將體現(xiàn)出每隔20°的明顯不對稱特性，這將造成所需要達到的圓形磁鏈軌跡不夠標準，從而影響控制精度。因此，較為合理的方式是將原來的6扇區(qū)模式細分為18扇區(qū)。本文將扇區(qū)細分與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計出扇區(qū)細分后的模糊控制規(guī)則，形成改進型模糊控制器，從而達到改善直接推力控制性能的目的。

為了減少模糊控制器的模糊規(guī)則數(shù)，可以把對初級磁鏈位置角由區(qū)間映射到區(qū)間，換算公式為：

（9）

式中。為取整函數(shù)，為初級磁鏈角。最終送入模糊控制器中的位置角為經(jīng)過換算后得到的。

模糊控制器有三個輸入量，分別是初級磁鏈偏差，推力偏差和初級磁鏈位置角。首先確定三個量的論域，初級磁鏈誤差在內(nèi)分為4個模糊子集；電磁推力誤差在內(nèi)也分為四個模糊子集；由于扇區(qū)細分的需要，將初級磁鏈位置角在內(nèi)分為3個模糊子集它們的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

模糊推理采用Mamdani的運算規(guī)則，模糊控制規(guī)則有如下形式：

其中分別為模糊子集。各電壓矢量作用的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

本模糊推理輸出的是電壓空間矢量單點模糊集，因此不需要進行解模糊。當把這三個量送入模糊控制器后，模糊控制器便可以根據(jù)推理規(guī)則得到所要的電壓矢量。對于其他五個區(qū)域的模糊規(guī)則，可以利用對稱的方法將第1區(qū)域的模糊規(guī)則映射過去。

3 改進型模糊直接推力控制系統(tǒng)仿真

在Matlab/simulink中建立系統(tǒng)仿真模型，該仿真模型主要分為電動機模塊和控制系統(tǒng)兩大部分。根據(jù)模塊化思想，控制系統(tǒng)被分割為各個功能的獨立子模塊，主要包括：逆變器模塊，坐標變換模塊（電壓、電流3/2轉(zhuǎn)換）、磁鏈估算模塊、推力估算模塊、位置估算模塊和區(qū)間映射模塊、模糊控制模塊等。

針對PMLSM的直接推力控制進行了仿真，具體參數(shù)為：動子質(zhì)量 kg，粘滯系數(shù) N·/m，電樞電阻 Ω，定子繞組電感 H，永磁體磁鏈 Wb，極距 mm。

分別對傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)和改進型模糊DFC系統(tǒng)進行仿真實驗，并進行比較。圖2～5為傳統(tǒng)DFC和改進型模糊DFC的實驗波形：分別為系統(tǒng)給定速度為 m/s，系統(tǒng)給定速度，初級磁鏈給 Wb定值下，系統(tǒng)啟動時的推力響應(yīng)曲線。

從實驗結(jié)果可以看出，兩種控制方式在系統(tǒng)啟動后都能夠快速跟蹤指令，初級磁鏈運動軌跡近似圓形。而經(jīng)過對比，PMLSM在改進型模糊DFC控制下的磁鏈及推力波動明顯減小。

4 結(jié)論

本文提出了一種扇區(qū)細分與模糊控制相結(jié)合的永磁直線同步電機新型直接推力控制方案。通過仿真實驗，證明了這種改進型模糊DFC方法能夠減小傳統(tǒng)DFC中磁鏈的不對稱性，并有效的減小磁鏈及推力脈動，改善了傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)性能。

參考文獻

[1]Romeral L，Arias A，Aldabas E，et al.Novel direct torque control（DTC）scheme with fuzzy adaptive torque-ripple reduction[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2003，50（3）：487-492.

[2] 李義強，周惠興.精密伺服用無鐵心永磁同步直線電動機研究綜述[J].微電機，2008.

[3] 廖曉鐘，邵立偉.直接轉(zhuǎn)矩控制的十二區(qū)段控制方法[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26（6）：167-173.

[4] 王海星，封海潮，司紀凱.PMLSM直接推力控制系統(tǒng)研究[J].微電機，2012，45（5）：26-30.

[5]趙麗君，崔凱凡，王成元.永磁直線同步電動機直接推力控制系統(tǒng)研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（3）：284-287.

[6] Cheng-Chung Sung，Yi-Sheng Huang.Based on Direct Thrust Control for Linear Synchronous Motor Systems[J].IEEE Transations on Industrial Electronics，2009，65（5）：1629-1638.