肖勁飛侯媛彬王勉華王瑞西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院西安航空動(dòng)力控制科技有限公司設(shè)計(jì)研究所

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基于BP網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)磁阻電機(jī)變磁鏈DTC方法研究

肖勁飛1侯媛彬1王勉華1王瑞2
西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院1西安航空動(dòng)力控制科技有限公司設(shè)計(jì)研究所2

摘要：文章針對(duì)傳統(tǒng)定磁鏈雙閉環(huán)DTC 調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)定子電流幅值較大、電機(jī)銅耗增加的問題，提出了變磁鏈給定的解決方案，建立了變磁鏈三閉環(huán)DTC調(diào)速系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明，此調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能良好，既能充分抑制SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又能在穩(wěn)態(tài)時(shí)降低定子電流的幅值，解決了電機(jī)高速時(shí)銅耗較大的問題。另外，針對(duì)變磁鏈三閉環(huán)DTC調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，文章將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器與傳統(tǒng)PI 控制器復(fù)合，構(gòu)成了BP-PI控制器。仿真表明，BP-PI控制器有效克服了單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DTC控制器存在的缺陷，動(dòng)、靜態(tài)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)器，顯著提高了調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩控制 變磁鏈 BP-PI

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、可靠性高、調(diào)速性能優(yōu)異、控制系統(tǒng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。但SRM特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)和工作方式造成其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。本文從改善控制策略角度出發(fā)，深入研究了抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。本文將直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的方法應(yīng)用于 SRM的調(diào)速系統(tǒng)（SRD ）。與當(dāng)前 SRD 中廣泛使用的電流斬波控制、角度位置控制、電壓PWM 控制方式相比，DTC直接把電磁轉(zhuǎn)矩作為控制對(duì)象，在整個(gè)控制過程中，無須改變控制策略，全速度范圍內(nèi)通用性強(qiáng)，能夠有效減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及由此引起的噪聲。Matlab-Simulink建模仿真證明，傳統(tǒng)的定磁鏈給定直接轉(zhuǎn)矩控制控制策略雖能有效抑制SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且保證電機(jī)定子電流與磁鏈波形連續(xù)、平穩(wěn)，卻存在穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)定子電流過大的問題。針對(duì)該問題，本文提出了變磁鏈給定的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并通過仿真證明了此控制方法的有效性。另外，針對(duì)本文中研究的，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性特征的，基于變磁鏈DTC 的SRM調(diào)速系統(tǒng)，本文充分利用傳統(tǒng)PID 控制算法簡(jiǎn)單、可靠性高和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制參數(shù)在線自整定、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制與傳統(tǒng)PI 控制相結(jié)合，構(gòu)成了BP網(wǎng)絡(luò)PI 復(fù)合控制器。

1　SRD 的變磁鏈DTC方法研究

1.1 傳統(tǒng)定磁鏈雙閉環(huán)DTC結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)一般采用如圖1所示的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中速度外環(huán)以速度給定V*為輸入，以速度誤差 V為調(diào)節(jié)量對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)以轉(zhuǎn)矩給定T*為輸入，以轉(zhuǎn)矩誤差 T為調(diào)節(jié)量實(shí)現(xiàn)SRM的DTC控制。電機(jī)磁鏈的工作點(diǎn)一般設(shè)計(jì)在磁化曲線發(fā)生明

顯轉(zhuǎn)折的飽和區(qū)，且磁鏈幅值的大小和電機(jī)的運(yùn)行性能密切相關(guān)，其幅值的微小變化會(huì)引起電流和轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)的較大變化。如圖1所示的雙閉環(huán)DTC調(diào)速系統(tǒng)，通過多次仿真發(fā)現(xiàn)，其磁鏈的給定值在0.37 ～0.45Wb之間時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速的目標(biāo)；給定磁鏈過大或過小，均會(huì)出現(xiàn)劇烈的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線產(chǎn)生振蕩或不收斂的情況。因此，在對(duì)DTC調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)必須考慮到磁鏈變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。對(duì)比分析對(duì)于SRM，達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后，定子電流幅值的大小和磁鏈幅值的大小成正比關(guān)系。而根據(jù)SRM的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩方程（式1）我們又可得出，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)、轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，磁鏈顯得不足，使得起動(dòng)電流增大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加。因此，兼顧電機(jī)起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)時(shí)的動(dòng)、靜態(tài)性能和效率，我們考慮將變磁鏈給定應(yīng)用于SRM的DTC調(diào)速系統(tǒng)，并使其與速度變化相關(guān)聯(lián)。

1.2 變磁鏈三閉環(huán)DTC結(jié)構(gòu)

對(duì)于速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)DTC調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩的控制信號(hào)與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律完全一致。由于調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，而直接轉(zhuǎn)矩控制的核心是磁鏈，所以，磁鏈的變化應(yīng)該與轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律相一致。跟據(jù)以上分析，我們將速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)過比例系數(shù)的調(diào)節(jié)作為磁鏈環(huán)的控制信號(hào)，使磁鏈根據(jù)轉(zhuǎn)矩的變化需求自動(dòng)調(diào)?；谏鲜龇治?，變磁鏈DTC的SRM調(diào)速系統(tǒng)，此調(diào)速系統(tǒng)將磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)并聯(lián)作為內(nèi)環(huán)、外加速度環(huán)構(gòu)成三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了以速度為給定的變磁鏈控制結(jié)構(gòu)。

2　復(fù)合BP網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 控制器設(shè)計(jì)

2.1 控制器的整定原理

BP網(wǎng)絡(luò)將具有簡(jiǎn)單非線性處理功能的單個(gè)神經(jīng)元組合在一起形成復(fù)合映射，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的非線性處理能力，且理論分析證明，BP網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)任意輸入空間到輸出空間的非線性映射。因此，我們可以利用BP網(wǎng)絡(luò)的這種學(xué)習(xí)能力來協(xié)調(diào)傳統(tǒng)PID 控制器中三種控制參數(shù)（KP 、KI 、KD ）的關(guān)系，并通過這種控制器參數(shù)在線最優(yōu)選擇的方式，使傳統(tǒng)PID 控制器達(dá)到最理想的控制效果?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器由兩部分構(gòu)成，一是常規(guī)PID 控制器，用以直接對(duì)對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，且三個(gè)參數(shù)在線整定；二是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，學(xué)習(xí)調(diào)整權(quán)系數(shù)，從而調(diào)整PID 參數(shù)，達(dá)到性能指標(biāo)的最優(yōu)化。

2.2 控制器的整定算法及步驟

（1）確定BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，即確定輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M 和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)Q ，并給出各層加權(quán)系數(shù)的初值Wij（1）（0）和Wli（2）（0），選定學(xué)習(xí)速率 和慣性系數(shù)a，此時(shí)k=1；

2.3 復(fù)合BP網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 控制器的仿真實(shí)現(xiàn)

本文將傳統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)器與BP網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制器并聯(lián)，構(gòu)成復(fù)合BP網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 控制器，后文中簡(jiǎn)稱“BP-PI”控制器。本復(fù)合控制器根據(jù)速度誤差進(jìn)行切換：當(dāng)速度誤差較大時(shí)，采用BP網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 控制器，通過BP網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制器參數(shù)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)；當(dāng)速度誤差較小時(shí)，切換到傳統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)器，利用其運(yùn)算速度快的特點(diǎn)來滿足基于DTC 的SRM調(diào)速系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的高要求。本BP-PI控制器的仿真模型模型中BP網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制器模塊（BPNetwork PIDController）的運(yùn)算功能主要由Simulink中的-function 實(shí)現(xiàn)。其中BP網(wǎng)絡(luò)采用典型的4-5-3結(jié)構(gòu)。

3　仿真結(jié)果及分析

本文以60kW、四相8/6結(jié)構(gòu)的SRM為研究對(duì)象，電源電壓220V ，最大轉(zhuǎn)矩50Nm ，給定轉(zhuǎn)速n = 1000r/min，采用圖4所示的變磁鏈三閉環(huán)DTC結(jié)構(gòu)。開始時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在空載狀態(tài)，即TL=0。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的抗干擾能力，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行0.4s 后，使系統(tǒng)由空載轉(zhuǎn)換為帶載TL=14 N?m，于0.75s時(shí)再變?yōu)榭蛰d。在此過程中，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速1000 r/min。

4　結(jié)語

本文研究的變磁鏈DTC調(diào)速系統(tǒng)控制精度高、魯棒性能良好，既能充分抑制SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又能在穩(wěn)態(tài)時(shí)降低定子電流的幅值，解決了電機(jī)高速時(shí)銅耗較大的問題。對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成本的降低、系統(tǒng)效率的提升，及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的增強(qiáng)都有著積極的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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