PMLSM的改进型模糊直接推力控制

摘 要：为了解决传统DFC系统存在的磁链控制不对称及较大推力脉动等问题，提出了将扇区细分与模糊控制相结合的改进型模糊直接推力控制（DFC）系统。建立了永磁直线同步电机（PMLSM）改进型模糊直接推力控制系统的数学模型，利用Matlab/Simulink对整个系统的运行状态进行了仿真。实验结果证明改进型模糊DFC方法能够有效改善磁链轨迹，减小脉动，提高系统控制性能。

关键词：永磁直线同步电机 模糊直接推力控制 扇区细分

中图分类号：TM359.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0081-02

直接推力控制（DFC）是在直接转矩控制（DTC）的基础上发展起来的，专用于直线电机传动系统的控制方法[5]。传统DTC采用滞环比较的方式控制磁链及推力，容易导致转矩响应迟钝，造成转矩脉动增大。为改善DTC系统性能，国内外学者对其进行了大量的研究工作，文献[1]采用模糊控制器取代滞环比较的方式，这种方法通常缺少精确的确定依据；文献[2]针对异步电机DTC控制，提出把传统的6扇区控制改为12扇区，以改善控制性能，但是控制效果不明显。

本文通过对传统DFC中的磁链和推力脉动进行分析，提出了模糊DFC策略，同时根据模糊DFC的基本原理，将扇区细分与模糊控制器相结合，设计出改进型模糊控制器，重新设计了隶属度及控制规则。

1 系统基本结构及数学模型

1.1 PMLSM的数学模型

三相电压（或电流）由静止ABC轴到轴的坐标变换公式为：

（1）

式中，表示电压或电流，是实测的次级磁极轴线位置。

在轴下，PMLSM的电压方程和磁链方程为：

（2）

式中，、分别为初级绕组电压的轴分量；、为轴电流分量；、为初级磁链的轴分量；、为轴电感；为永磁体有效磁链；为直线电机同步线速度。为极距。

2 改进型模糊DFC系统

为克服传统DFC系统中通过滞环比较器及开关表选择电压空间矢量而造成的较大的磁链和推力脉动，本文将模糊控制器取代滞环比较器，通过模糊逻辑将初级磁链与推力差值的大小进行模糊分级，并结合初级磁链位置信息根据不同等级作不同决策来优化空间电压矢量的选择。

经文献[7]分析可知，磁链增量在传统6扇区划分中，将体现出每隔20°的明显不对称特性，这将造成所需要达到的圆形磁链轨迹不够标准，从而影响控制精度。因此，较为合理的方式是将原来的6扇区模式细分为18扇区。本文将扇区细分与模糊控制相结合，设计出扇区细分后的模糊控制规则，形成改进型模糊控制器，从而达到改善直接推力控制性能的目的。

为了减少模糊控制器的模糊规则数，可以把对初级磁链位置角由区间映射到区间，换算公式为：

（9）

式中。为取整函数，为初级磁链角。最终送入模糊控制器中的位置角为经过换算后得到的。

模糊控制器有三个输入量，分别是初级磁链偏差，推力偏差和初级磁链位置角。首先确定三个量的论域，初级磁链误差在内分为4个模糊子集；电磁推力误差在内也分为四个模糊子集；由于扇区细分的需要，将初级磁链位置角在内分为3个模糊子集它们的隶属度函数如图2所示。

模糊推理采用Mamdani的运算规则，模糊控制规则有如下形式：

其中分别为模糊子集。各电压矢量作用的模糊控制规则，如表1所示。

本模糊推理输出的是电压空间矢量单点模糊集，因此不需要进行解模糊。当把这三个量送入模糊控制器后，模糊控制器便可以根据推理规则得到所要的电压矢量。对于其他五个区域的模糊规则，可以利用对称的方法将第1区域的模糊规则映射过去。

3 改进型模糊直接推力控制系统仿真

在Matlab/simulink中建立系统仿真模型，该仿真模型主要分为电动机模块和控制系统两大部分。根据模块化思想，控制系统被分割为各个功能的独立子模块，主要包括：逆变器模块，坐标变换模块（电压、电流3/2转换）、磁链估算模块、推力估算模块、位置估算模块和区间映射模块、模糊控制模块等。

针对PMLSM的直接推力控制进行了仿真，具体参数为：动子质量 kg，粘滞系数 N·/m，电枢电阻 Ω，定子绕组电感 H，永磁体磁链 Wb，极距 mm。

分别对传统DFC系统和改进型模糊DFC系统进行仿真实验，并进行比较。图2～5为传统DFC和改进型模糊DFC的实验波形：分别为系统给定速度为 m/s，系统给定速度，初级磁链给 Wb定值下，系统启动时的推力响应曲线。

从实验结果可以看出，两种控制方式在系统启动后都能够快速跟踪指令，初级磁链运动轨迹近似圆形。而经过对比，PMLSM在改进型模糊DFC控制下的磁链及推力波动明显减小。

4 结论

本文提出了一种扇区细分与模糊控制相结合的永磁直线同步电机新型直接推力控制方案。通过仿真实验，证明了这种改进型模糊DFC方法能够减小传统DFC中磁链的不对称性，并有效的减小磁链及推力脉动，改善了传统DFC系统性能。

参考文献

[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] 李义强，周惠兴.精密伺服用无铁心永磁同步直线电动机研究综述[J].微电机，2008.

[3] 廖晓钟，邵立伟.直接转矩控制的十二区段控制方法[J].中国电机工程学报，2006，26（6）：167-173.

[4] 王海星，封海潮，司纪凯.PMLSM直接推力控制系统研究[J].微电机，2012，45（5）：26-30.

[5]赵丽君，崔凯凡，王成元.永磁直线同步电动机直接推力控制系统研究[J].沈阳工业大学学报，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.