專利名稱：一種抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線電機控制領(lǐng)域，適合于抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法。

背景技術(shù)：
直線電動機與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合形成的直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)，在某些應(yīng)用場合有著旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，這種特殊的運動形式在工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域、運輸行業(yè)、磁懸浮系統(tǒng)、直接驅(qū)動機器人、數(shù)控加工機床以及交流伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，特別是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和各種新型控制策略的提出以及各種高性能電磁材料的研制成功，使直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣闊。
直線電機直接驅(qū)動取代傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”的進給方式，消除了中間傳動環(huán)節(jié)，既簡化了結(jié)構(gòu)又提高了系統(tǒng)整體性能，使系統(tǒng)定位精度、運行穩(wěn)定性得到改善。近些年，國內(nèi)外對直線電機直接驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)研制與開發(fā)特別重視。
20世紀80年代中期，直接電機控制方法，采用直接轉(zhuǎn)矩控制，利用空間電壓矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，根據(jù)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)和磁鏈滯環(huán)直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制性能。但是磁鏈檢測精度、定子電阻參數(shù)變化等因素直接影響到轉(zhuǎn)矩控制性能，導致控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動較大。
由于直線電機結(jié)構(gòu)上和性能方面的特點，又因外界及自身的任何擾動會無緩沖地、直接地作用在直線電機上，影響了直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的控制性能，另外直線電機還存在有別于旋轉(zhuǎn)電機的特殊的端部效應(yīng)，造成直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)控制性能受到以下這些因素的影響如模型不確定性、結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化、運行環(huán)境的改變以及外界干擾等因素，傳統(tǒng)控制方法，如PID反饋控制、解耦控制等適用于控制對象模型確定、參數(shù)不變化且為線性的情況，并且控制過程中運行環(huán)境和條件不發(fā)生改變；傳統(tǒng)的直線電機直接推力控制是根據(jù)推力滯環(huán)和磁力滯環(huán)，借助于離散的兩點式偏差調(diào)節(jié)產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，直接對電壓型逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，滯環(huán)值越大，推動脈動就越大。


發(fā)明內(nèi)容
針對上述直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)存在的推力脈動問題，本發(fā)明的目的是提供一種抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法，采用滑?？刂坪湍：刂?，將滑?？刂坪湍：刂频母髯詢?yōu)點密切結(jié)合起來，針對直線電機控制系統(tǒng)具有強耦合、非線性、多變量以及其自身特有的端部效應(yīng)問題，提出采用具有良好控制性能的模糊滑模直接推力控制的方法，解決實際系統(tǒng)中存在的多種因素對控制性能的影響問題，達到抑制推力脈動并獲得良好動態(tài)響應(yīng)性能的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法，采用了滑?？刂坪湍：刂疲瑢⒒？刂坪湍：刂频母髯詢?yōu)點密切結(jié)合起來實現(xiàn)模糊滑模直接推力控制，有效的抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動，模糊控制系統(tǒng)以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，把規(guī)定的控制對象或過程的控制方法總結(jié)成特定形式的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制信號作用于被控對象；模糊控制能同時利用語言信息，同時又能逼進任意給定的連續(xù)函數(shù)，該控制方法被應(yīng)用于本控制系統(tǒng)以解決滑?？刂葡到y(tǒng)的抖動問題?；？刂瓶梢栽趧討B(tài)的過程中，根據(jù)系統(tǒng)當時的狀態(tài)，對加給系統(tǒng)的干擾和系統(tǒng)的攝動具有定全的自適性，而且迫使系統(tǒng)有目的的地沿著預(yù)定的“滑動狀態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動，使系統(tǒng)快速收斂到控制目標，滑?？刂破靼ㄓ型屏痛沛渻煞N控制參數(shù)，選擇推力偏差和磁鏈偏差做為被控制量，由推力偏差和磁鏈偏差構(gòu)成積分滑模面進行滑模運動的控制，使系統(tǒng)按照設(shè)計的滑動模態(tài)軌跡運動，輸出推力和磁鏈跟蹤給定值，其中模糊控制方法，將既能利用語言信息和數(shù)據(jù)信息又能逼近任意給定連續(xù)函數(shù)，解決滑模控制系統(tǒng)的“抖動”問題。
抑制直線電機推力脈動控制系統(tǒng)包括滑模控制和模糊控制，其中滑?？刂撇捎没？刂破?，模糊控制采用模糊滑?？刂破?，其控制參數(shù)推導過程如下 (1)滑?？刂破? 直線電機定子磁鏈 直線電機推力 其中，id，iq為三相繞組電流d-q軸分量；ψd，ψq為繞組磁鏈d-q軸分量；τ為電機極距；R1為繞組電阻；us和is為定子繞組電壓和電流；ψs0為定子磁鏈初值。
根據(jù)直線電機直接推力控制原理，選擇推力偏差eF和磁鏈偏差eψ函數(shù)構(gòu)成積分滑模面；定義兩個參量 uF＝iqψd-idψq (3) 推力和磁鏈跟蹤偏差分別為 eF＝uFref-uF(5) eψ＝uψref-uψ (6) 由偏差函數(shù)構(gòu)成積分滑模面 定義Lyapunov(里亞普諾夫)函數(shù) 式(5)和(6)分別求微分得 整理后有 其中，b＝[b1 b2]T 選擇控制量 將式(9)求微分，并將各項代入，得 其中邊界層函數(shù) 公式中，λi(i＝1，2)表示直線電機推力偏差和磁鏈偏差的邊界層取值，當參數(shù)μ1＞|b1|，μ2＞|b2|的時，成立，滿足滑模控制的Lyapunov(里亞普諾夫)穩(wěn)定條件，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
當直線電機推力偏差和磁鏈偏差的邊界層取值在邊界層外時采用滑?？刂?，當直線電機推力偏差和磁鏈偏差的邊界層取值在邊界層內(nèi)時采用下面的模糊滑?？刂? (2)模糊滑?？刂破? 首先定義模糊控制器的輸入為推力偏差和磁鏈偏差函數(shù)構(gòu)成的積分滑模面

和它們的導數(shù)

(i＝1，2)，它們分別是切換函數(shù)Si(k)和它的微分dsi(k)的模糊化變量。模糊控制器輸出ΔUi是控制變化量Δui的模糊化變量；選擇si、

ΔUi的基本論域為[-6，6]，在此論域上各分出7個模糊子集，即有 其論域分別為 其中，NB＝負大，NM＝負中，NS＝負小，ZO＝零，PS＝正小，PM＝正中，PB＝正大。設(shè)計模糊規(guī)則為 Rkif s is Ak and

is Bk then ΔU is Ck (18) 其中，k＝1，2，3，…n.Ak、Bk、Ck是si、

ΔUi各自對應(yīng)論域上的模糊集；因此，得出滿足條件的模糊控制規(guī)則(如表1所示)；采用計算重心法進行去模糊化，來確定模糊信息輸出的精確值，即是獲取直線電機精確控制量的方法。
模糊滑?？刂迫峄丝刂菩盘枺瑢⒉贿B續(xù)的控制信號連續(xù)化，削弱或避免一般滑模控制的抖動現(xiàn)象，同時也保證系統(tǒng)有良好的控制性能；實驗表明模糊滑?？刂品椒ㄔ谝种浦本€電機推力脈動方面有明顯的效果。
表1模糊滑?？刂埔?guī)則表
本發(fā)明采用帶積分補償?shù)幕？刂破?，在邊界層外采用滑?？刂?，而在邊界層?nèi)采用模糊滑模控制以獲得連續(xù)的控制量，消除因為符號函數(shù)出現(xiàn)在控制律中所帶來的抖動，因而有效的抑制了直線電機推力系統(tǒng)脈動。
直線電機模糊滑模直接推力控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
本發(fā)明之優(yōu)點針對直線電機直接驅(qū)動控制系統(tǒng)具有強耦合、非線性、多變量以及其自身特有的端部效應(yīng)特點，采用具有高魯棒性能的模糊滑模直接推力控制的方法，有效地解決了實際系統(tǒng)中存在的多種因素對控制性能的影響，達到抑制推力脈動并獲得良好動態(tài)響應(yīng)性能的目的。



圖1為本發(fā)明直線電機模糊滑模直接推力控制流程圖；
具體實施例方式 直線電機模糊滑模直接推力控制系統(tǒng)(其流程圖如圖1所示)。
由直線電機直接推力控制原理，需要根據(jù)推力和磁鏈的偏差來選擇合適的電壓矢量實現(xiàn)直線電機推力控制，本發(fā)明模糊滑模直接推力控制過程包括如下步驟 (1)輸入直線電機參數(shù)電阻、電感、給定定子磁鏈、給定速度，通過電壓型逆變器給直線電機加初始電壓300V。
(2)將電壓、電流進行3相到2相的坐標變換， 根據(jù)公式 直線電機定子磁鏈估算磁鏈； 根據(jù)公式 直線電機推力估算推力； (3)速度及比例積分參數(shù)設(shè)定與調(diào)節(jié)，得出系統(tǒng)實際推力； (4)根據(jù)實際值和估算值計算推力偏差 uF＝iqψd-idψq (5)根據(jù)實際值和估算值計算磁鏈偏差 (6)選擇推力偏差和磁鏈偏差做為被控制量 eF＝uFref-uF eψ＝uψref-uψ (7)根據(jù)推力偏差和磁鏈偏差設(shè)計積分滑模函數(shù) (8)設(shè)計控制電壓分量 (9)推導邊界層函數(shù) (10)進行判斷 當直線電機推力偏差和磁力偏差的取值在邊界層外，采用滑模控制，輸出控制電壓矢量，使系統(tǒng)按照設(shè)計的“滑動模態(tài)”軌跡運動； 當直線電機推力偏差和磁鏈偏差的取值在邊界層內(nèi)，采用模糊滑?？刂?； (11)模糊控制器輸入為積分滑模面Si，它們的導數(shù)Si，他們分別是切換函數(shù)Si(k)和它的微分dsi(k)的模糊化變量；(i＝1，2) (12)選擇Si、ΔUi的基本論域[-6，6]，論域上各分出7個模糊子集， (13)論域?qū)?yīng)取值 si＝＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6} ΔUi＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6} (14)設(shè)計Si、ΔUi的隸屬函數(shù)； (15)依公式(18)設(shè)計模糊規(guī)則，生成模糊控制規(guī)則表； (16)采用重心法解模糊； (17)輸出控制電壓矢量，使系統(tǒng)按照設(shè)計的“滑動模態(tài)”軌跡運動，保證輸出推力和磁鏈很好的跟蹤給定值； (18)最終獲取抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的控制參數(shù)；通過電壓型逆變器給直線電機施加控制電壓； (19)進行電壓、電流采樣，進入下一個控制周期。
權(quán)利要求
1、一種抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法，其特征在于該方法采用了滑?？刂坪湍：刂?，將滑模控制和模糊控制的各自優(yōu)點密切結(jié)合起來實現(xiàn)直線電機模糊滑模直接推力控制，有效的抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動，直線電機推力系統(tǒng)控制包括滑?？刂坪湍：刂疲渲谢？刂撇捎没？刂破?，模糊控制采用模糊滑?？刂破鳎粚τ诨？刂坪湍：刂疲捎脦Хe分補償?shù)幕？刂破?，在邊界層外采用滑模控制，而在邊界層?nèi)采用模糊滑?？刂埔垣@得連續(xù)的控制量，從而消除了直線電機推力脈動，其模糊滑模直接推力控制過程包括如下步驟
(1)輸入直線電機參數(shù)電阻、電感、給定定子磁鏈、給定速度，通過電壓型逆變器給直線電機加初始電壓300V；
(2)將電壓、電流進行3相到2相的坐標變換，
根據(jù)公式直線電機定子磁鏈
估算磁鏈；
根據(jù)公式直線電機推力估算推力；
(3)速度及比例積分參數(shù)設(shè)定與調(diào)節(jié)，得出系統(tǒng)實際推力；
(4)根據(jù)實際值和估算值計算推力偏差
uF＝iqψd-idψq
(5)根據(jù)實際值和估算值計算磁鏈偏差
(6)選擇推力偏差和磁鏈偏差做為被控制量
eF＝uFref-uF
eψ＝uψref-uψ
(7)根據(jù)推力偏差和磁鏈偏差設(shè)計積分滑模函數(shù)
(8)設(shè)計控制電壓分量
(9)推導邊界層函數(shù)
(10)進行判斷
當直線電機推力偏差和磁鏈偏差的取值在邊界層外，采用滑模控制，輸出控制電壓矢量，使系統(tǒng)按照設(shè)計的“滑動模態(tài)”軌跡運動；
當直線電機推力偏差和磁鏈偏差的取值在邊界層內(nèi)，采用模糊滑?？刂?；
(11)模糊控制器輸入為積分滑模面Si以及它們的導數(shù)Si，他們分別是切換函數(shù)Si(k)和它的微分dsi(k)的模糊化變量；(i＝1，2)；
(12)選擇Si、ΔUi的基本論域[-6，6]，論域上各分出7個模糊子集，
(13)論域?qū)?yīng)取值
si＝＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}
ΔUi＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}
(14)設(shè)計Si、ΔUi的隸屬函數(shù)；
(15)依公式
Rkif s is Ak and
is Bk then ΔU is Ck設(shè)計模糊規(guī)則，生成模糊控制規(guī)則表；k＝1，2，3，…n.Ak、Bk、Ck是si、
ΔUi各自對應(yīng)論域上的模糊集；
(16)采用重心法解模糊；
(17)輸出控制電壓矢量，使系統(tǒng)按照設(shè)計的“滑動模態(tài)”軌跡運動，保證輸出推力和磁鏈很好的跟蹤給定值；
(18)最終獲取抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的控制參數(shù)，通過電壓型逆變器給直線電機施加控制電壓；
(19)進行電壓、電流采樣，進入下一個控制周期。
2、按權(quán)利要求1所述的抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法，其特征在于所述的滑模控制采用滑?？刂破?br> 直線電機定子磁鏈
直線電機推力
其中，id，iq為三相繞組電流d-q軸分量；ψd，ψq為繞組磁鏈d-q軸分量；τ為電機極距；R1為繞組電阻；us和is為定子繞組電壓和電流；ψs0為定子磁鏈初值；
根據(jù)直線電機直接推力控制原理，選擇推力偏差eF和磁鏈偏差eψ函數(shù)構(gòu)成積分滑模面，定義兩個參量
uF＝iqψd-idψq(3)
推力和磁鏈跟蹤偏差分別為
eF＝uFref-uF(5)
eψ＝uψref-uψ(6)
由偏差函數(shù)構(gòu)成積分滑模面
定義Lyapunov(里亞普諾夫)函數(shù)
式(5)和(6)分別求微分得
整理后有
其中，b＝[b1 b2]T
b2＝LsRsci+kfRsid+uψref+k2(uψref-uψ)
選擇控制量
將式(9)求微分，并將各項代入，得
其中邊界層函數(shù)
公式中，λi(i＝1，2)表示直線電機推力偏差和磁鏈偏差的邊界層取值，當參數(shù)μ1＞|b1|，μ2＞|b2|的時，成立，滿足滑?？刂频腖yapunov(里亞普諾夫)穩(wěn)定條件，就采用滑?？刂品椒?，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
3、按權(quán)利要求1所述的抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法，其特征在于所述的模糊控制采用模糊滑?？刂破鞫x模糊控制器的輸入為推力偏差和磁鏈偏差函數(shù)構(gòu)成的積分滑模面si和它們的導數(shù)它們分別是切換函數(shù)Si(k)和它的微分dsi(k)的模糊化變量，模糊控制器輸出ΔUi是控制變化量Δui的模糊化變量；選擇si、
ΔUi的基本論域為[-6，6]，在此論域上各分出7個模糊子集，即有
其論域分別為
其中，NB＝負大，NM＝負中，NS＝負小，ZO＝零，PS＝正小，PM＝正中，PB＝正大，設(shè)計模糊規(guī)則為
Rkif s is Ak and
is Bk then ΔU is Ck(18)
其中，k＝1，2，3，…n.Ak、Bk、Ck是si、
ΔUi各自對應(yīng)論域上的模糊集；因此，得出滿足條件的模糊控制規(guī)則，采用計算重心法進行去模糊化，來確定模糊信息輸出的精確值，即是獲取直線電機精確控制量的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直線電機控制領(lǐng)域，抑制直線電機推力系統(tǒng)脈動的方法，采用了滑模推力控制器和磁鏈控制器，選擇推力偏差和磁鏈偏差做為被控制量，由推力偏差和磁鏈偏差構(gòu)成積分滑模面進行滑模運動軌跡的設(shè)計，使系統(tǒng)按照滑動模態(tài)軌跡運動，保證輸出推力和磁鏈能夠很好的跟蹤給定值，其中模糊控制器，將利用語言信息和數(shù)據(jù)信息逼近任意給定連續(xù)函數(shù)的模糊控制方法，解決滑?？刂葡到y(tǒng)的“抖動”問題。本發(fā)明之優(yōu)點直線電機直接驅(qū)動控制系統(tǒng)具有強耦合、非線性、多變量以及其特有的端部效應(yīng)，采用具有高魯棒性能的模糊滑模直線電機直接推力控制的方法，有效地解決了多種因素對控制性能的影響，達到抑制直線電機推力脈動，并獲得良好動態(tài)響應(yīng)性能的目的。
文檔編號H02P21/00GK101340173SQ20081001123
公開日2009年1月7日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者崔皆凡, 楊俊友, 剛 木, 月 符 申請人:沈陽工業(yè)大學