PMLSM的改進型模糊直接推力控制

摘 要：為了解決傳統DFC系統存在的磁鏈控制不對稱及較大推力脈動等問題，提出了將扇區細分與模糊控制相結合的改進型模糊直接推力控制（DFC）系統。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的數學模型，利用Matlab/Simulink對整個系統的運行狀態進行了仿真。實驗結果證明改進型模糊DFC方法能夠有效改善磁鏈軌跡，減小脈動，提高系統控制性能。

關鍵詞：永磁直線同步電機 模糊直接推力控制 扇區細分

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）是在直接轉矩控制（DTC）的基礎上發展起來的，專用于直線電機傳動系統的控制方法[5]。傳統DTC采用滯環比較的方式控制磁鏈及推力，容易導致轉矩響應遲鈍，造成轉矩脈動增大。為改善DTC系統性能，國內外學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比較的方式，這種方法通常缺少精確的確定依據；文獻[2]針對異步電機DTC控制，提出把傳統的6扇區控制改為12扇區，以改善控制性能，但是控制效果不明顯。

本文通過對傳統DFC中的磁鏈和推力脈動進行分析，提出了模糊DFC策略，同時根據模糊DFC的基本原理，將扇區細分與模糊控制器相結合，設計出改進型模糊控制器，重新設計了隸屬度及控制規則。

1 系統基本結構及數學模型

1.1 PMLSM的數學模型

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

為克服傳統DFC系統中通過滯環比較器及開關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，并結合初級磁鏈位置信息根據不同等級作不同決策來優化空間電壓矢量的選擇。

經文獻[7]分析可知，磁鏈增量在傳統6扇區劃分中，將體現出每隔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扇區模式細分為18扇區。本文將扇區細分與模糊控制相結合，設計出扇區細分后的模糊控制規則，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則數，可以把對初級磁鏈位置角由區間映射到區間，換算公式為：

（9）

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

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，初級磁鏈誤差在內分為4個模糊子集；電磁推力誤差在內也分為四個模糊子集；由于扇區細分的需要，將初級磁鏈位置角在內分為3個模糊子集它們的隸屬度函數如圖2所示。

模糊推理采用Mamdani的運算規則，模糊控制規則有如下形式：

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推理規則得到所要的電壓矢量。對于其他五個區域的模糊規則，可以利用對稱的方法將第1區域的模糊規則映射過去。

3 改進型模糊直接推力控制系統仿真

在Matlab/simulink中建立系統仿真模型，該仿真模型主要分為電動機模塊和控制系統兩大部分。根據模塊化思想，控制系統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轉換）、磁鏈估算模塊、推力估算模塊、位置估算模塊和區間映射模塊、模糊控制模塊等。

針對PMLSM的直接推力控制進行了仿真，具體參數為：動子質量 kg，粘滯系數 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DFC系統和改進型模糊DFC系統進行仿真實驗，并進行比較。圖2～5為傳統DFC和改進型模糊DFC的實驗波形：分別為系統給定速度為 m/s，系統給定速度，初級磁鏈給 Wb定值下，系統啟動時的推力響應曲線。

從實驗結果可以看出，兩種控制方式在系統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 結論

本文提出了一種扇區細分與模糊控制相結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DFC系統性能。

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.直接轉矩控制的十二區段控制方法[J].中國電機工程學報，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研究[J].沈陽工業大學學報，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.