摘 要：為了解決傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)存在的磁鏈控制不對(duì)稱及較大推力脈動(dòng)等問(wèn)題，提出了將扇區(qū)細(xì)分與模糊控制相結(jié)合的改進(jìn)型模糊直接推力控制（DFC）系統(tǒng)。建立了永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）改進(jìn)型模糊直接推力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改進(jìn)型模糊DFC方法能夠有效改善磁鏈軌跡，減小脈動(dòng)，提高系統(tǒng)控制性能。

關(guān)鍵詞：永磁直線同步電機(jī) 模糊直接推力控制 扇區(qū)細(xì)分

中圖分類號(hào)：TM359.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)的，專用于直線電機(jī)傳動(dòng)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(dòng)增大。為改善DTC系統(tǒng)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，文獻(xiàn)[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(xiàn)[2]針對(duì)異步電機(jī)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(guò)對(duì)傳統(tǒng)DFC中的磁鏈和推力脈動(dòng)進(jìn)行分析，提出了模糊DFC策略，同時(shí)根據(jù)模糊DFC的基本原理，將扇區(qū)細(xì)分與模糊控制器相結(jié)合，設(shè)計(jì)出改進(jìn)型模糊控制器，重新設(shè)計(jì)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(biāo)變換公式為：

（1）

式中，表示電壓或電流，是實(shí)測(cè)的次級(jí)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(jí)繞組電壓的軸分量；、為軸電流分量；、為初級(jí)磁鏈的軸分量；、為軸電感；為永磁體有效磁鏈；為直線電機(jī)同步線速度。為極距。

2 改進(jìn)型模糊DFC系統(tǒng)

為克服傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)中通過(guò)滯環(huán)比較器及開(kāi)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(dòng)，本文將模糊控制器取代滯環(huán)比較器，通過(guò)模糊邏輯將初級(jí)磁鏈與推力差值的大小進(jìn)行模糊分級(jí)，并結(jié)合初級(jí)磁鏈位置信息根據(jù)不同等級(jí)作不同決策來(lái)優(yōu)化空間電壓矢量的選擇。

經(jīng)文獻(xiàn)[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(duì)稱特性，這將造成所需要達(dá)到的圓形磁鏈軌跡不夠標(biāo)準(zhǔn)，從而影響控制精度。因此，較為合理的方式是將原來(lái)的6扇區(qū)模式細(xì)分為18扇區(qū)。本文將扇區(qū)細(xì)分與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)出扇區(qū)細(xì)分后的模糊控制規(guī)則，形成改進(jìn)型模糊控制器，從而達(dá)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(duì)初級(jí)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(jí)磁鏈角。最終送入模糊控制器中的位置角為經(jīng)過(guò)換算后得到的。

模糊控制器有三個(gè)輸入量，分別是初級(jí)磁鏈偏差，推力偏差和初級(jí)磁鏈位置角。首先確定三個(gè)量的論域，初級(jí)磁鏈誤差在內(nèi)分為4個(gè)模糊子集；電磁推力誤差在內(nèi)也分為四個(gè)模糊子集；由于扇區(qū)細(xì)分的需要，將初級(jí)磁鏈位置角在內(nèi)分為3個(gè)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(yùn)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(diǎn)模糊集，因此不需要進(jìn)行解模糊。當(dāng)把這三個(gè)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(duì)于其他五個(gè)區(qū)域的模糊規(guī)則，可以利用對(duì)稱的方法將第1區(qū)域的模糊規(guī)則映射過(guò)去。

3 改進(jìn)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(dòng)機(jī)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(gè)功能的獨(dú)立子模塊，主要包括：逆變器模塊，坐標(biāo)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(duì)PMLSM的直接推力控制進(jìn)行了仿真，具體參數(shù)為：動(dòng)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(duì)傳統(tǒng)DFC系統(tǒng)和改進(jìn)型模糊DFC系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行比較。圖2～5為傳統(tǒng)DFC和改進(jìn)型模糊DFC的實(shí)驗(yàn)波形：分別為系統(tǒng)給定速度為 m/s，系統(tǒng)給定速度，初級(jí)磁鏈給 Wb定值下，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的推力響應(yīng)曲線。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種控制方式在系統(tǒng)啟動(dòng)后都能夠快速跟蹤指令，初級(jí)磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似圓形。而經(jīng)過(guò)對(duì)比，PMLSM在改進(jìn)型模糊DFC控制下的磁鏈及推力波動(dòng)明顯減小。

4 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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