永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法
专利汇可以提供永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且永磁直线同步 电机 的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，所述控制技术根据永磁直线同步电机伺服系统给定速度 信号 和反馈速度信号相减得到误差量，以这个误差量设计分数阶滑模面，基于分数阶理论设计滑模控制切换项，并采用区间二型模糊 控制器 替换切换项中的增益与不连续函数乘积，根据Lyapunov函数验证系统是稳定的；设计中引入区间二型模糊控制器和分数阶滑模面，并采用基于分数阶微积分理论的切换项，可以有效降低抖振；同时解决了一型模糊系统模糊规则存在的不确定性问题，提高系统的鲁棒性，最终本 发明 方法实现了提高系统的鲁棒性，并削弱系统的抖振现象。，下面是永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：所述控制方法根据永磁直线同步电机伺服系统给定速度信号和反馈速度信号相减得到误差量，以这个误差量设计分数阶滑模面，基于分数阶理论设计滑模控制切换项，并采用区间二型模糊控制器替换切换项中的增益与不连续函数乘积，根据Lyapunov函数验证系统是稳定的；整个系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片；DSP的QEP端口连接位置和速度检测电路，DSP的ADC端口连接电流检测电路，DSP的PWM端口和PDPINT端口连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接驱动电路和故障检测和保护电路，驱动电路连接IPM逆变单元；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为永磁直线同步电机，机身装有光栅尺；调压电路连接整流滤波单元，整流滤波单元连接IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机；
该方法的步骤如下：
步骤一：建立永磁直线同步电机的数学模型：
永磁直线同步电机的d-q轴模型如下
式中
式中，ωr＝πv/τ1，v为动子线速度；ud、uq、id、iq、Ld、Lq、ψd、ψq分别为d-q轴电压、电流、电感、磁链；Rs为动子电阻；ψf为永磁体在动子绕组直轴上的磁链分量；τ1为极距；
永磁直线同步电机的电磁推力表达式为
由于面装式永磁直线同步电机中Ld＝Lq，则(9)表示为
式中：pn为极对数，kf为电磁推力系数；
永磁同步直线电机的机械运动方程为
式中：l为动子位移；M为动子和所带负载总质量；Bv为粘滞摩擦因数；d(t)为外部干扰，d(t)＝Ffric+Frip+Fl，Ffric为摩擦力，其表达式Ffric＝(10+5e-(v/4)2)sgn(v)，v为动子线速度；
为端部效应产生的推力波动，Fripplem＝40为端部效应产生的推力
波动的幅值，θ0为初始相位电角度；l为动子位移，τ为极距；Fl为负载阻力；
令状态量x＝[xl x2]T＝[l v]T，l、v分别为动子的位移、线速度；u＝iq为输入控制量，由式(11)得永磁同步直线电机状态方程为
其中， 和 分别为状态变量x1和x1的导数；
步骤二：分数阶PIαDα滑模面的设计
定义：分数阶微积分算子表示为 t0、t为算子的上下限，α为分数阶微积分的阶次；
连续可积分函数f(t)的(RL型)Riemann-Liouville分数阶微积分定义为
式中：m为整数，且m-1<α
Γ(·)在[0，∞]的任意值；
为解决不能直接精确计算出函数的分数阶微积分的值，采用整数阶Oustaloup滤波器来逼近分数阶微分算子 该滤波器的传递函数如下：
其中，G(s)为复变函数，k∈[-N，N]，N为滤波器阶数，
(ωb，ωh)为给定的滤波频率区间，α为分数阶微
积分的阶次；
设计如下式所示的分数阶PIαDα滑模面
其中，kp和ki是非零正常数； 表示分数阶微积分算子，α表示分数阶微分，0＜α＜1，则表示分数阶积分；e为系统速度跟踪误差；
步骤三：设计滑模控制律为
u＝ueq+usw (16)
其中，usw为滑模控制的切换项；ueq为滑模控制的等效控制部分，由滑模面s的导数确定，则
其中，为系统跟踪误差的导数；
由 分别为动子给定速度v*和动子输出速度v的导数；结合式(12)和式
(18)，得：
其中，M为动子质量；kf为永磁同步直线电机的电磁推力系数；Bv为粘滞摩擦因数；
定义切换控制项 Ks为负的常值；
则式(19)变为
步骤四：由于滑模控制切换项影响着系统的控制性能，如果切换项中的Ks的绝对值取值过大，系统存在较大抖振；反之，系统的鲁棒性降低；由于永磁直线同步电机伺服系统易受不确定因素的扰动，且扰动不易测量，采用区间二型模糊控制器替换式(20)中Kssgn(s)项，区间二型模糊控制器输入为式(15)中的滑模面s，输出为Δu；
使用带有不确定中心值的区间二型模糊集，区间二型模糊高斯隶属函数由一型模糊高斯隶属函数的可调整不确定中心值与标准偏差值构成，带有可调整不确定中心值[m1，m2]与可调整标准方差σ的区间二型高斯隶属函数如下式
其中x为区间二型模糊系统的输入量；
区间二型模糊集是一个域，该域描述隶属度函数不确定性的一种模糊集合，且以传统的模糊隶属函数为约束界，域的上界用UMF表示，域的下界用LMF表示，此域称为不确定域；
区间二型模糊隶属函数的UMF和LMF分别用 表示；
区间二型模糊逻辑系统，与一型模糊逻辑系统相似，包括模糊器、规则库、推理机、降型器以及解模糊器五部分，但是模糊逻辑系统的前后件由区间二型模糊集来代替；采用Mamdani型区间二型模糊系统，使用的区间二型模糊系统由IF-THEN形式的模糊规则构成：
其中，s为式(15)中的滑模面，为区间二型模糊系统的输入，y为区间二型模糊系统的输出， 是规则前件集合， 是规则后件集合；i＝1，2，…，W是模糊规则数，W为正的常数；其模糊规则前、后件集合均是区间二型模糊集合；基于乘机推理机、单值模糊器，经过集合中心(Center-of-sets，COS)降型得到降阶集如下式
其中，∫表示逻辑并，Ycos是由后件模糊集合 的中心区间两个端点yl和yr决定的区间集合； 表示后件模糊集合
的中心区间集；
利用重心法解模糊后的清晰输出为
其中，yl和yr为
其中，
把式(28)和式(29)代入式(27)，得区间二型模糊器的输出为
令y＝Δu，其中采用7条模糊规则，输入输出对应的模糊语言变量为：PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB，模糊规则如下：
R1：IF s isPB.THEN Δu isNB；
R2：IF s isPM.THEN Δu isNM；
R3：IF s isPS，THEN Δu isNS；
4
R：IF s isZO，THEN Δu isZO；
R5：IF s isNS，THEN Δu isPS；
R6：IF s isNM，THEN Δu isPM；
R7：IF s isNB，THEN Δu isPB；
采用乘机推理机、单值模糊器、集合中心降型以及重心解模糊，得到模糊控制器输出其中，
则式(20)变为
其中，M为动子质量；kf为永磁同步直线电机的电磁推力系数；Bv为粘滞摩擦因数；kp和ki是非零正常数； 表示分数阶微积分算子，α表示分数阶微分，0<α<1，则 表示分数阶积分；e＝v*-v系统速度跟踪误差，其中v*为系统速度的给定值，v为动子输出速度，Δu为二型模糊系统的输出；
步骤五：编写实现区间二型模糊分数阶滑模控制律实现的DSP程序部分。
2.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：选取分数阶PIαDα滑模面；
系统跟踪误差为e＝v*-v，其中v*为系统速度的给定值，建立分数阶PIαDα滑模面如下式：
其中kp和ki是非零正常数，Dtα表示分数阶微分算子，表示α阶导数，0＜α＜1；
控制律设计为：
u＝ueq+usw (2)
其中ueq为滑模控制等效控制项，usw为滑模控制切换项；ueq由 确定，如下式所示式中：M为动子和所带负载质量，kf为电磁推力系数，Bv为粘滞摩擦系数。
3.根据权利要求2所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：基于分数阶理论设计滑模控制切换项，并采用区间二型模糊控制器替换切换项中的增益与不连续函数乘积；
定义切换控制项 Ks为负的常值，采用区间二型模糊控制器替
换Kssgn(s)项。
4.根据权利要求3所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：区间二型模糊控制器为单输入单输出，输入输出的隶属函数均为区间二型模糊高斯隶属函数；采用乘机推理机、单值模糊器、集合中心降型以及重心解模糊，得到模糊控制器输出。
5.根据权利要求2所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：
式(2)中usw为切换控制项，计算表达式如下：
其中，Ks为负的常值；
将等效控制项ueq和切换控制项usw代入式(2)中，则有：
由于滑模控制切换项影响着系统的控制性能，如果切换项中的Ks的绝对值取值过大，系统存在较大抖振；反之，系统的鲁棒性降低；由于永磁直线同步电机伺服系统易受不确定因素的扰动，且扰动不易测量，采用区间二型模糊控制器替换(4)式中Kssgn(s)项，区间二型模糊控制器输入为式(1)定义的滑模面s，输出为Δu，则(4)式为
将上述控制方法嵌入DSP控制电路中实现对永磁直线同步电机伺服系统的速度控制。
6.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：DSP采用TMS320F28335处理，所述控制方法在DSP程序实现步骤如下：
步骤1 系统初始化；
步骤2 DSP系统初始化；
步骤3 初始化寄存器和变量；
步骤4 初始化中断向量；
步骤5 开中断；
步骤6 是否结束运行？是则进行步骤9；
步骤7 是否有通用定时器下溢中断产生，否则进行步骤6；
步骤8 执行T1中断处理子控制程序；进行步骤6；
步骤9 保存数据；
步骤10 关中断；
步骤11 结束。
7.根据权利要求6所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：步骤8中T1中断处理子控制程序步骤如下：
步骤1 保护现场；
步骤2 读取编码器值，得到电角度；
步骤3 电流采样；
步骤3 CLARK变换；
步骤5 PARK变换；
步骤6 判断是否需要速度调节；否则进入步骤8；
步骤7 调用速度调节处理子控制程序；
步骤8 d q轴电流调节；
步骤9 PARK逆变换；
步骤10 SVPWM输出；
步骤11 恢复现场；
步骤12 中断返回。
8.根据权利要求7所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制方法，其特征在于：所述步骤7的速度调节中断处理子控制程序步骤如下：
步骤1 速度调节中断子控制程序开始；
步骤2 读取编码器值；
步骤3 角度计算；
步骤4 速度计算；
步骤5 计算速度反馈误差；
步骤6 设定二型模糊分数阶滑模变结构初始工况参数；
步骤7 判断是否已经在预设滑模面上；是则进行步骤9；
步骤8 计算usw；
步骤9 计算ueq；
步骤10 计算电流命令并输出，即二型模糊分数阶滑模控制律u＝ueq+usw；
步骤11 中断返回。
永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法
技术领域
发明内容
DSP采用TMS320F28335处理器。
具体实施方式
推力波动的幅值，θ0为初始相位电角度，设为0。l为动子位移，τ为极距；Fl为负载阻力。
15V，VSS为接地端，为了达到良好的去耦效果，在这两端加入两个并联的去耦电容。功率芯片自身有过温和过流保护，当电路出现异常时能起到自我保护的作用。
速度、位移。
10)，N＝2，区间二型模糊控制器输入s的隶属度函数如图9所示，输出Δu的隶属度函数如图10所示。
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