开关磁阻电机的模糊滑模控制策略研究

工业控制与应用 动化技术与应用20关磁阻电机的模糊滑模控制策略研究 周永勤1，吴丹丹1，王哈力1，关键2 (1哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080；2辽宁阜新供电公司，辽宁阜新123000) 摘要：本文提出一种带有模糊滑模控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制方案。针对计了以电流偏差作为 切换函数的滑模变结构控制器，并运用模糊规则对开关增益量进行智能控制，增强了系统准确性和稳定性。仿真结果表明此方 粢能够精确跟踪绕组电流，有效抑制转矩脉动，实现关键词：开哭磁阻电机；转矩脉动；模糊滑模控制器 巾 分类号：献标识码：A 文章编号：1003 7241(2011)03 001105 el 150080 223000 he a of rea as in is to it of t in a RM 引言 开关磁阻电机(一种很有潜力的驱动电机， 它具有结构简单，成本低廉，损耗小，效率高，调速性能 好 】等诸多优点，但是由于其磁路的非线性和强耦合性， 定子绕组的磁通波形和电流波形极不规则，采用传统的 控制策略会产生很强烈的转矩脉动和噪声，甚至产生速 度震荡，严重阻碍其应用领域的进一步发展。因此，抑 制高控制性能是研究开关磁阻电 机调速驱动系统的关键问题。 目前，国内外学者研究了很多先进的控制策略，早 基金项目：黑龙江省教育厅科学技术项目(编号1 l 5 4 1 0 6 2) 收稿日期：2 01 01 20 9 期比较常见的有角度斩波复合控制、转矩矢量控制和 微步控制等，实质是在换相过程中实现转矩优化策略， 对不连续的点进行调节，防止转矩突变，减小转矩脉动， 但这并不能从根本上消除脉动。后来随着控制理论的 发展，在开关磁阻电机的控制方法中普遍采用迭代学习 方法、神经网络和滑模变结构控制，在转矩脉动的抑制 方面取得了很好的效果【2】。本文在这些理论的基础上提 出了一种基于模糊滑模控制的模控 制是一种特殊的非线性控制，对参数扰动不敏感，能够 实现快速响应，而缺点在于其不连续的特性会引起系统 抖振，所以本文结合模糊控制来确定开关增益，从而消 除抖振现象。本方案以每相绕组的实际电流和参考电 自动化技术与应用 2011年第30卷第3期 工业控制与应用 的差值作为开关函数，对绕组电压进行等效控制，使 绕组电流实现准确跟踪，有效抑制转矩脉动，保证开关 磁阻电机的平稳运行。 2 模糊滑模控制原理 滑模控制是一种具有滑动模态切换面的变结构系 统，当系统的运行状态达到切换条件时，系统就从一种 状态自动转换成另外一种状态，系统的结构取决于切换 函数的符号。滑模控制系统有三个必要条件：存在滑动 模态；切换面以外的点在有限时间内都会到达切换面； 滑模运动具有一定的稳定性假设切换函数为S，控 制函数为 ，滑模控制方法的函数切换形式为 I U ，当S0时 J 一，当态轨迹偏离滑模超面，若I 会增 大，迫使状态轨迹返回，接近滑模超面，反之亦然。当 时，状态轨迹接近滑模面，若l S 会减 小，降低抖振，增强系统稳定性，反之亦然。 模糊控制器以作为输入量，开关增益 作为 输出量。输入变量的整数论域取为：一6，4，一3，一 2，一1，0，1，2，3，4，5，6，共分为七个模糊集：大)， 中)，小)，)，小)，中)， 大)且采用均匀分布的三角形隶属函数。输出量 的隶 属函数如下： 。 (20一k。)20；0 0 = ( 。)=(20；200 =(33 皇 。)=( 一70)30；7000 自动化技术与应用201 1年第30卷第3期 工业控制与应用 用三角形隶属函数实现开关增益分为五个模糊集：小)，s(小)，M(中)，B(大)， 大)。根据输入量和输出量的模糊关系，建立模糊规则 表如表1。 表1 模糊规则表 M E M B M B M M S M B M S S M S S S S S S S M S M M B M S M B B M B 据各变量的隶属函数和以上4 9条模糊规则，采 用判决，便可实现开关增益4 仿真分析 本文设计的基于模糊滑模控制器的开关磁阻电机 控制方案整体结构框图如图2所示。 图2 开关磁阻电机模糊滑模 控制系统整体结构框图 为了验证本文设计的控制方案的有效性，在 统的参数设置 如下：N =12，N =8， =3J=0m ， c=514V，R=247，L (i) 0 0JO0065i +00146i+01254 p，i)=O56 I i+206 蠼 删 (a) 负载较小条件下相电流波形 (b) 负载较大条件下相电流波形 (C) 负载较大条件下合成转矩波形 图3 n=2定转速为500r果如图所示。 当转速n=2000r别在负载较大和负载较小两 种情况下进行仿真实验。从图3中a、b、两种负载条件下绕组电流都能够精确跟踪期望电流波 形，系统的合成转矩波形稳定，转矩脉动较小，说明模糊 滑模控制器在同负载条件下具有 良好的控制效果。为了验证系统在低速环境中的控制 性能，选取转速n=500r新在两种条件下进行仿 真，结果如图4中a、b、速情况下，绕组反电 动势较小，电流上升快，所以电流波动较大，但是电流仍 (下转第35页) 计算机应用 r 自动化技术与应用2011年第30卷第3期 【9】，et I：2sn】，2000 10谭凯，林子禹，彭德纯等多级正交软件体系结构及其 应用J，小型微型计算机系统，2000，21(2)：138141 作者简介：乔佩利(1 9 51一)，教授，博士生导师，研究方向：企 业智能计算，网络安全。 (上接第14页) 然能够实现精确跟踪，合成转矩脉动也较小。因此，本 文设计的开关磁阻电机模糊滑模控制器性能良好，适应 性强，绕组电流能够快速跟踪参考相电流的变化，能有 效抑制转矩脉动，保证系统稳定运行。 (a) 负载较小条件下相电流波形 (b) 负载较大条件下相电流波形 (c) 负载较大条件下合成转矩波形 图4 n=5 结束语 本文根据出了一种 抑制转矩脉动的模糊滑模控制策略。采用传统的器进行转速调节，根据优化设计的转矩分配函数和矩 角特性表获得期望转矩下的绕组参考电流，然后以相电 流偏差作为切换函数设计滑模控制器得出相电压等效 值，再运用模糊规则确定控制电压的开关增益，对绕组 相电压进行实时控制，实现相电流的准确跟踪。仿真结 果表明，本文设计的方案能够较好的跟踪期望电流，有 效的抑制了高了系统的适应性，实 现了开关磁阻电动机转矩低脉动的高性能控制。 参考文献： 1】王旭东，王喜莲，王炎等开关磁阻电动机电流双幅值斩 波控制J中国电机工程学报，2000，20(4)：8386 【2】周素莹，林辉减小开关磁阻电机转矩脉动的控制策略 综述 电气传动，2008，38(3)：3游洋模糊滑模变结构控制理论与应用研究D哈尔滨 工业大学硕士学位论文，2005：卜14 【4乔维德基于模糊自适应控江苏电器，2008，(8)：205解应春，李忠杰通过实测矩角特性求解簇J微特电机，2001，(2)：1315 6】，of