自励式缓速器制动力矩闭环模糊控制

杨效军，何 仁，冯益增

（1.山东交通职业学院，潍坊 261206；2.江苏大学，镇江 212013）

0 引言

自励式缓速器转子温度不仅取决于自身非线性、多变量函数的制动功率，同时又与环境温度、天气等使用因素有关[1,2]。由于缓速器转子与环境之间热交换的复杂性，难以采用PID控制通过对制动功率的实时调整将转子温度控制在安全工作范围，故一般采用开环PWM控制，即根据Curie-Weiss定律设计一个安全门限温度，当转子温度超过门限温度时则停止缓速器工作，避免高温膨胀导致转子与定子之间的刮擦[1]。但由此所导致的制动力矩突然消失或阶跃性下降又增加了行车制动的安全隐患，尤其是行驶在长距离下坡道路上的汽车。

针对上述问题，在深入研究自励式缓速器制动功率与转子温升的基础上提出以转子、温差及其温差变化率为输入变量、以可控硅控制角变化量为输出变量的制动力矩闭环Fuzzy控制。在转子处于高温情况下，通过可控硅控制角对制动功率进行实时调整，使制动功率与转子温升达到动态平衡以避免PWM控制中制动力矩的突然消失或阶跃性下降，对提高行车安全具有十分重要意义。

1 基本论域及其量化

制动力矩闭环Fuzzy控制以转子温差e及温差变化率ec为输入语言变量，输出语言变量选为可控硅控制角变化量ac。当转子温度高于设定温时，模糊控制器根据转子温差及其温差变化率按照设定的模糊规则计算可控硅控制角变化量，通过可控硅控制角的调整实现对制动功率的闭环控制。

1.1 温差

假设转子温度（T）允许超过设定温度（T0）ΔT， 则 转 子 温 差（e）定 义 为 e=T-(T0+ΔT/2)，温 差 E 的 基 本 论 域 为 [-ΔT/2, ΔT/2]； 选 E 的 论域为X={-3,-2,-1,0,1,2,3}，语言变量值选择为：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。e的量化因子为：

1.2 温差变化率

温差变化率ec定义为两次检测的转子温度之差与 ΔT/2的比值，即ec=2×(T2-T1)/ΔT ×100%，这样温差变化率ec的基本论域为[-100,100]。选定温差变化率EC的论域Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}，语言变量值选择为：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。温差变化率ec的量化因子为：

1.3 可控硅控制角变化量

设当前可控硅控制角为a，则可控硅控制角变化量的基本论域可确定为[-(π-a), (π-a)]。选定AC的论域为U={-3,-2,-1,0,1,2,3}，语言变量值选择为：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。量化因子为：

2 模糊控制器设计

2.1 隶属函数及语言变量赋值

论域X上描述模糊子集PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB的隶属函数选择反应灵敏的三角函数[3～5]，如图1所示。

图1 论域X的隶属函数

语言变量E的赋值表如表1所示。

论域Y、论域U的隶属函数同样选择上述形式的三角函数，语言变量EC、AC的赋值表分别如表2、表3所示。

表1 语言变量E赋值表

表2 语言变量EC赋值表

表3 语言变量AC赋值表

2.2 模糊规则库

基于模糊推理合成规则，根据模糊关系式（4）求得与给定输入模糊集其中，构成的nm维行向量（n=m=7）。模糊控制状态表如表4所示。

表4 模糊状态控制表

2.3 去模糊化

去模糊化处理采用占用计算机资源较少的最大隶属度平均值法（mom）。去模糊化后可控硅控制角变化量随转子温差及温差变化率变化的曲面形状规则，符合可控硅控制角变化量随转子温差及温差变化率变化的规律，容易对仿真结果进行离散化处理[9,10]，建立可控硅控制角变化量的3D查询表格，并通过查询3D表的方式获得可控硅控制角变化量，提高控制的实时性。去模糊后的仿真曲面图如图2所示。模糊控制器结构框图如图3所示。

图2 可控硅控制角变化量曲面图

3 试验分析

试验选用江苏省汽车工程重点实验室与扬州洪泉实业有限公司、盐城步高汽配制造有限公司联合研制的500Nm自励式缓速器样机，采用开环PWM控制器、闭环模糊控制器分别进行转子温度性能测试，测试曲线如图4所示。

图3 模糊控制器结构框图

图4（a）为使用开环PWM控制器测试的转子温度变化曲线。调速电机将转速提高到1800r/min后切断电机动力，缓速器工作在最高档测试转子温度。约70秒后转子温度上升到230℃左右，之后随转子转速的下降，自励式缓速器发电装置输出电压、缓速器制动功率、转子内热源强度均下降，转子温度下降。

图4 转子温度及制动力矩变化曲线

图4(b)为使用闭环模糊控制器所测试的温度变化曲线。转子高温临界点设置为190℃，允许转子温度超过门限温度20℃；温差e及温差变化率ec的基本论域为[-10,10]、[-100,100]。电机提高到1800r/min后，控制器以最高档位进行制动，不切断电机动力进行拖磨。由测试曲线看出，35秒左右转子温度达到设定温度190℃，比图4（a）用时要短，其原因是电机维持较高的转速，缓速器转子内热源强度衰减较慢，之后控制器根据转子温差及温差变化率对制动力矩进行实时控制，转子温度基本维持在200±10℃之间，制动力矩下降到约180Nm左右。切断电机动力后，转子转速及温度开始下降。

图4（c）为使用闭环模糊控制器测试转子温度时自励式缓速器制动力矩的变化曲线，当转子温度超过190℃时，由于温差变化率较大，由此带来温差变化较大，可控硅控制角快速增大，制动力矩迅速下降；其后，温差、温差变化率变化减小，可控硅控制角小幅度调整，制动力矩趋于稳定；当检测到转子温度低于设定温度时，可控硅控制角恢复初值，控制器切换到开环PWM控制模式，满足低温时尽可能提供较大制动力矩的需求。

4 结束语

试验证明以转子温差及其温差变化率为输入变量，以可控硅控制角变化量为输出变量的自励式缓速器制动力矩闭环模糊控制实现了制动功率与转子温度的动态平衡，并将自励式缓速器转子温度控制在安全工作范围，避免了高温情况下需停止缓速器工作所带来的制动力矩突然消失或阶跃性下降，提高了行车制动安全性。文中提出的基于转子温差、温差变化率的制动力矩模糊控制思想可以为解决电涡流缓速器转子高温问题提供借鉴和参考。

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