（电机与电器专业论文）开关磁阻电机rbf神经网络控制策略研究.pdf

a b s t r a c t t h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) p o s s e s s e sm a n ys p e c i f i ca d v a n t a g e ss u c h a ss i m p l es t r b c t u r e ，h i g he f f i c i e n e y , g o o dr e l i a b i l i t y , a n dl o wc o s t t h es w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rd r i v e ( s r d ) ，w h i c hi sc o n s t n l c t e db yt h es r m ，h a sa t t r a c t e d e x t e n s i v ea t t e n t i o ni nt h ew o r l dd u et oi t s 、】l ，i d er a n g ea n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e so f s p e e dt u n i n g h o w e v e r , i t sl l i g hn o n l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i ce n l a r g e st h e d i f f i c u l t yo fc o n t r o lg r e a t l y , w h i c hm a k e st r a d i t i o n a ll i n e a rc o n t r o l l e r si n a p p r o p r i a t e f o ri t t h e r e f o r e ，m e t h o do f o p t i m a lc o n t r o lh a sp r o v e d t ob et h eb e s ta p p r o a c ht ot h e p r o b l e m 砷en e u r a ln e t w o r k 删) i sw e l lk n o w nf o ri t ss t r o n gn o n l i n e a rm a p p i n g c a p a b i l i t y , a n dc a r lb ea p p l i e dt ot h ec o m p l e xs p e e dc o n t r o ls y s t e m c o n v e n t i o n a lb p n e u r a ln e t w o r kh a st h ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sc o m p l e xs t r u c t u r e ，s l o wt r a i n i n gs p e e d ， a n de a s i l yl a n d i n gi n t ol o c a lm i n i m u mp o i n t s a l lo ft h e s ed i s q u a l i f yi tf r o mf i l l i n g t h en e e do fc o n t r o lo ft h es r m h o w e v e r , r b fn e u r a ln e t w o r kh a sm a n yo u t s t a n d i n g m e r i t s ，f o re x a m p l e ，q u i c kl e a r n i n gs p e e da n ds t r o n gg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y s a t i s f y i n g c o n t r o lr e s u l t sc a l lb eo b t a i n e db yc o m b i n i n gr b fn e u r a ln e t w o r kw i t l lq u i c kt r a i n i n g a r i t h m e t i ca n da p p r o p r i a t ec o n t r o lm o d e a tt h eb e g i n n i n g , t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l so ft h e 4 p h a s e ( 8 6p o l e s ) s r ma n di t sd r i v es y s t e mb a s e do nm a t l a b s 1 m u l l n k , a n d t h e nt h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e si sp r o c e s s e do ni t an e ws o l u t i o n t h a ta d a p t i v ep w m s p e e dc o n t r o lf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r sb a s e do nr b f n e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e di nt h er e s e a r c ho fs p e e dr e g u l a t i o n ，t l i sm e t h o db u i l d su p as p e e dc o n t r o l l e rw h i c hi st r a i n e do f f - l i n ei na d v a n c e ，m a k i n gu s eo ft h ep o w e r f u l a p p r o x i m a t i n ga b i l i t ya n df a s tc o n v e r g e n c ep r o p e r t yo fr b fn e u r a ln e t w o r k ，a c o m b i n i n gw i 也t h eo n l i n e i d e n t i f i c a t i o nn e t w o r k , t h i sc o n t r o l l e rc a na d a p ti t s p a r a m e t e r st ot h ec h a n g ee n v i r o n m e n t t h er e s u l t so fs i m u l i n ke x p e r i m e n t ss h o wt h a t w i t ht h i sm e t h o d , q u i c kr e s p o n s es p e e d ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o na n dg o o da d a p t a b i l i t y c a nb ea c h i e v e d i nt h er e s e a r c ho fr e s t r a i n i n gt o r q u er i p p i e ，t h i sp a p e ra d v a n c e sa s c h e m eo fi n s t a n t a n e o u st o r q u ec o n t r o lf o rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r sb a s e d0 nr b f n e u r a ln e t w o r k n l eo f f - l i n et r a i n i n go fr b fn e t w o r ki sb a s e do nt h ed a t aa c q u i r e db y d y n a m i cm o d e l i n g a f t e rt r a i n e df r o mt h eo l m m 砌c u r r e n tp r o f i l e si nd i f f e r e n ts p e e d a n dt o r q u e ，r b fn e t w o r kc o u l db ea b l et oa c h i e v et h en o n l i n e a rm a p p i n gb e t w e e n t o r q u e , p o s i t i o na n dc u r r e n t t h ea p p r o a c ho ft r a n s i e n tc u r r e n tt r a c i n gc o n t r o li s j i i l p l 锄c n t e di nt h i ss y s t e mt oa d j u s tt h e6 = i 】：r r e n ti no r d e rt oc o n t r o lt h et o r q u eo ft h e m o t o r t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tp r o v et h a tt h i sm e t h o dc o u l dr e d u c es r m st o r q u e r i p p l ee f f e c t i v e l ya n di sa d a p t i v et os p e e dv a r i e t y t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es r db a s e do l lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pi sa l s o i n t r o d u c e d d e t e c t i o no ft h ep h a s eo u r r o n ta n dr o t o rp o s i t i o n , a sw e l l 勰c o n t r o lo f s p e e da l er e a l i z e db ys o f t w a r e k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ；r b fn e u r a ln e t w o r k d y n a m i c m o d e l ；o n - l i n ei d e n t i f i c a t i o n tt o r q u ed i s t r i b u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名微型 签字日期：2 矿哆 2 - 月工7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：移k 角裂、 签字日期：知哕年三月三7 日 导师签名：么? 毛 导师签名：禾? 自 签字日期：a 嘎降，明耐日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了开关磁阻电机的国内外研究现状和发展方向；然后阐述了本 课题的选题背景和意义；最后列出了本文研究的主要内容及主要工作。 1 1 引言 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m ) 具有结构坚固、体 积小、重量轻、工作可靠、制造成本低、运行效率高等诸多优点。由它组成的开 关磁阻电机调速系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r d r i v e ，简称s r d ) 自八十年代 中期问世以来因其调速范围广，调速性能优越而引起了国内外学者的普遍关注。 s r d 集开关磁阻电动机、电力电子技术和控制技术为一体，是一种典型的机电 一体化高新技术产品。它不仅保持了交流异步电动杌结构简单、坚固可靠和直流 电动机可控性好的优点，而且还具有价格低、效率高、适应力强等突出优点，显 示出广阔的应用前景【l - 2 。这使得s r d 成为了继异步电动机变频调速系统和直流 电动机调速系统之后，又一极具潜力的新一代交流无级调速系统。 然而，由于开关磁阻电机定、转子为双凸极结构以及特殊的供电方式，使得 s r d 的性能存在着不足，主要表现在：( 1 ) 位置传感器的引入使电机结构复杂， 电机和控制器之间连线增加，且由于传感器分辨率的限制，使得开关磁阻电机调 速系统性能下降；( 2 ) 为提高电机输出功率密度，开关磁阻电机通常运行于深度 磁饱和状态，故s r d 本身是一个时变、非线性系统，电机的电磁转矩是转子位 置和绕组电流的非线性函数，加之开关形式的供电电源，导致其转矩脉动要比其 他传动系统严重，低速时尤为明显。这些缺点，限制了s r d 的迸一步推广和应 用，也促使国内外学者对其作进一步的研究，而如何应用先进的控制策略来改善 s r d 的性能成了该领域的研究热点和发展方向【3 】。 由于常规的线性控制方法很难在s r d 这样一个动态非线性系统上取得满意 的控制效果，许多学者都将非线性控制理论引入到s r d 中，如反馈线性化控制、 非线性内模控制、滑模变结构控制等m 】，取得了一定的效果；同时许多智能控 制方法也被应用于s r d 中，如自适应模糊控制、神经网络控制等 7 - s ，尤其是神 经网络，因其具有自学习、自适应能力，非常适合于解决非线性系统的控制问题。 在控制系统中，应用较多的网络是b p 网络，但b p 网络存在局部最优问题，并 且训练速度较慢。径向基函数神经网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k ， 第一章绪论 简称r b f 神经网络) 则克服了这些问题，具有学习速度快、逼近和泛化能力强 等优点。因此，r b f 神经网络越来越受到学者的关注，广泛应用于系统辨识和 函数逼近中。将r b f 神经网络用于开关磁阻电机的智能控制系统，可使系统获 得良好的控制效果，同时具备快速的响应能力和较强的鲁棒性。 1 2 开关磁阻电机的发展概况和研究方向 1 2 1 开关磁阻电机的产生和发展过程 开关磁阻电机基本原理的提出可以追溯到1 9 世纪4 0 年代，当时的电机研究 人员就已经认识到利用顺序磁拉力可以使电动机旋转。1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 根据“磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合”原理，用简单材料制造 出了开关磁阻电机的雏形，但受当时科技发展水平的限制，电机运行特性很差， 无法制造出实用的系统，以至于以后的1 0 0 多年间开关磁阻电机的发展缓慢。 2 0 世纪6 0 年代，先进半导体技术的应用和高性能电子计算机的问世为开关 磁阻电机的研究和发展奠定了物质基础。1 9 6 7 年，英国l e e d s 大学开始对开关 磁阻电机进行深入研究，其研究结果表明开关磁阻电机可在单向电流下实现四象 限运行，和直流调速系统相比，其所需的开关数最少，而且成本明显低于同容量 的交流电动机。6 0 年代末，h j a r r e l 提出增加饱和度有利于提高磁阻电机出力的 观点，从理论上对开关磁阻电机的发展起到了积极的推动作用。1 9 7 5 年，l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学的研究小组联合参加了c h l o r i d at e c h n i c a l 有限公司发起 的制造蓄电池车辆驱动装置的研究工作，成功地研制出一套用于电动汽车的s r d 系统，其单位输出功率和效率都高于同类的异步电动机驱动装置，这充分表明了 开关磁阻电机是大有发展潜力的。1 9 8 0 年，l e e d s 大学的l a w r e n s o n 教授发表了 题为“v a r i a b l es p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ”的论文1 9 j ，研究了开关磁阻电机 的特性及控制方式，初步阐述了开关磁阻电机的原理及设计理论，成为研究开关 磁阻电机的经典性文献，为开关磁阻电机的研究工作奠定了理论基础。同年，在 英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司( s r dl t d ) ，专门进行s r d 系统 的研究、开发和设计。1 9 8 3 年，s r dl t d 首先推出了s r d 系列产品，命名为 o u l t o n 。1 9 8 4 年，t a s c 驱动系统公司也推出了他们的产品，其中包括了一 种适用于有轨电车的驱动系统，并在后来推出了s r d 系统的第二代系列产品， 容量为1 - 1 1 0 k w ，其电机为三相6 4 极结构，调速范围为3 - 3 0 0 0 r m i n ，过载能 力为1 5 倍，可四象限运行，而且效率高。1 9 9 1 年，英国又研制成功了电压为 9 0 0 0 v ，功率为5 m w 的s r d 系统。到目前为止，在s r d 系统的开发研制方面， 英国一直处于国际领先地位。 2 第一章绪论 除英国外，德国、美国、加拿大、韩国等国家也都开展了s r d 系统的研究 工作。原联邦德国在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间先后完成了l k w 、1 2 k w 和5 k w 样 机的研制，以结构简单、鲁棒性好、价格便宜引起了各国电气传动界的广泛重视。 7 0 年代初，美国福特公司也研制出了最早的s r d 系统，其结构为轴向气隙电动 机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速能力，适合蓄电池供电的电动 车辆的传动。在国外的应用中，s r d 一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车； 同时高速的s r d 也成为了一个研究方向，美国现已研制出了2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高速s r d 样机 我国对s r d 的开发研究始于1 9 8 4 年，并被列为中小型电机“七五科研规划 项目”。南京调速电机与北京纺织机械研究所合作首先研制成功了3 k w 的开关磁 阻电动机，该电机通过鉴定成为我国研制成功的第一台开关磁阻电机。上世纪 9 0 年代后，对开关磁阻电机方面的研究不断升温，有大批高等院校、科研院所、 生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作。尽管国内对开关磁阻电机 调速系统的研究起步较晚，但可以借鉴国外丰富的研究经验，起点较高。现在， 已有一批中小功率的s r d 研究成果，并开始由实验室阶段发展到工业试用和推 广应用阶段，许多s r d 产品已被用于纺织机械、吸尘器、风机水泵和通用调速 系统等领域，取得了很好的效果和显著的经济效益。 1 2 2 开关磁阻电机的研究现状和发展方向 上世纪9 0 年代以后，对开关磁阻电机的开发呈研究与应用并重的趋势。目 前s r d 的开发范围：转矩为o 0 1 1 0 6 n n l ；功率为1 0 w 5 m w 转速可达 1 0 0 0 0 0 r m i n ，规格从多相发展到单相、两相，电机型式也从旋转型发展到了直 线型。s r d 的研究涉及电动机、微电子、电力电子、微机控制、机械等众多领 域，主要包括：( 1 ) 开关磁阻电机的设计；( 2 ) 功率变换器的设计；( 3 ) 控制器 的设计三个方面。 对开关磁阻电机本体的研究主要是通过分析和仿真电机的饱和磁场及其对 转子的作用力，进而优化电机定、转子的形状和几何尺寸，合理选择气隙，以达 到提高电机运行效率，减小损耗和降低噪音、振动等目的：同时许多新型的开关 磁阻电机齿极结构也得到了一定的应用。 由于开关磁阻电机与功率变换器是密不可分的，在研究电机本体的同时，必 须考虑功率电路的设计和功率器件的选择。合理设计功率变换器主电路，是保证 s r d 系统具有较高效率、较好工作稳定性和提高性其能价格比的关键因素。功 率电路的拓扑结构有很多种，电路复杂程度和主开关数目也不尽相同，且各有优、 缺点，这就需要根据所驱动的开关磁阻电机的具体结构和控制方式来确定。在主 第一章绪论 开关器件选择上，i g b t 以其优良的特性在电机驱动、开关电源等要求快速、低 损耗的领域中占主导地位。尤其是以i g b t 为内核的智能功率集成电路( i p m ) ， 因其具有高可靠性和便于使用等优点，得到了越来越多的应用。 如前所述，采用先进的控制策略是发挥s r d 自身优势、弥补其存在的不足 和提高电机性能的根本途径。在研究初期，s r d 的控制理论尚未成熟，控制策 略基本上是以线性模型为基础，这样的线性控制器很难保证电机的运行性能，系 统鲁棒性较差，转矩脉动与噪声明显，严重阻碍了s r d 的商品化过程。为此， 国内外许多学者都在寻求高效、实用的新型控制策略，以进一步改善s r d 的性 能。当前先进的控制策略主要包括； ( 1 ) 非线性反馈线性化控制：通过将非线性控制微分几何方法应用于s r d ， 对开关磁阻电机实现非线性状态反馈线性化，以补偿其非线性特性。该方法解耦 了定子电流与磁阻转矩的非线性关系，从而获得了较好的动态特性。然而，系统 的实现需要知道电机的所有参数，且需要全状态可测，这无疑增加了系统实现的 难度。根据反馈线性化设计的s r d 系统，其性能在很大程度上依赖于电机模型 的精确度，对于开关磁阻电机这样一个复杂的非线性、时变系统，精确建模的困 难较大，从而影响了控制策略的实现。 ( 2 ) 非线性内模控制：该控制策略对模型要求低，在线计算方便，控制效 果好，无需积分器就能消除稳态误差，并对参数不确定性和各种干扰有较强的鲁 棒性。非线性内模控制有机结合了非线性反馈线性化技术的简单性与内模控制结 构的鲁棒性，对模型失配、参数变化及各种不确定性干扰有很好的补偿作用，具 有优良的控制性能。 ( 3 ) 滑模变结构控制：该控制策略利用预先为控制系统设计好的超平面， 采用不连续的控制规则，使系统实现渐进稳定。该控制策略对系统参数变化和不 确定性扰动有较强的鲁棒性，并且响应速度快、动态性能好、易于实现，但它是 以s r d 工作于磁特性线性区为前提，忽略了磁饱和及相间耦合的影响，在电机 饱和状态下的控制精度和动态品质还有待进一步研究。 ( 4 ) 智能控制：由于开关磁阻电机本身的非线性特性，常规控制方法难以 适应其变结构、变参数要求。采用智能控制策略对电机进行自适应控制是回避这 一棘手问题的途径之一【l ”。智能控制包括专家控制、模糊控制和神经网络控制， 都具有很强的鲁棒性和自适应能力。其中，模糊控制具有对对象的数学模型要求 不高和鲁棒性好的特点，非常适合于非线性系统【1 4 】，但模糊控制本质上是一个 有差系统，不能完全消除静差，通常将模糊控制与常规控制( 如p i d 控制) 相结 合，构成复合控制系统，兼具常规控制的快速响应和模糊控制的鲁棒性，可以获 得满意的控制效果。神经网络以其极强的自学习和非线性逼近能力更适合于解决 4 第一章绪论 非线性和不确定系统的控制问题【1 5 _ ”，利用神经网络构成的控制器具有控制精度 高、动态特性好、抗干扰能力强等优点。 上述非线性控制策略的应用为s r d 系统的性能改善开辟了广阔的前景。在 具体应用方面，如何取消位置传感器和抑制电机的转矩脉动成为了s r d 领域中 两个最大的研究热点。位置检测环节是开关磁阻电机驱动系统的重要组成部分， 就目前的应用情况来看，转子位置检测多数是直接利用诸如光电式、电磁式或磁 敏式( 如霍尔元件) 位置传感器，所用传感元件的数目也因相数的增加而增多。 位置检测装置既增加了系统结构的复杂性，又给安装、调试带来了不便，这也正 是s r d 诸多性能优于直流电机调速系统、变频调速系统之外的一点逊色之处。 国内外许多学者一直都在积极研究无位置检测技术，如非通电相加瞬时脉冲激励 的电感检测技术、相间互感检测技术、电容式位置检测技术、加测试线圈检测技 术等，位置传感器的取消将使s r d 系统具有更强的竞争优势。噪声和转矩脉动 限制了开关磁阻电机的应用范围，针对s r d 系统开关形式供电电源产生的不可 避免的转矩脉动问题，许多学者利用对电机结构的改进和控制策略的改善来提高 电机的转矩平滑程度1 1 ”，这也是高性能s r d 系统发展的方向。 1 3 选题的背景和意义 开关磁阻电机调速系统作为一项方兴未艾的新技术，将开关磁阻电动机与现 代电力电子技术、控制技术融为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动 机调速系统的优点，具有广阔的发展前景，但就整个s r d 的研究发展来看。对 其控制系统的分析和研究还很不充分【1 9 1 。开关磁阻电机具有严重的非线性、变结 构、变参数以及强耦合性，并且电机可控参数多，控制方案灵活，这既给我们提 供了取得理想控制效果的多种控制手段，同时也增加了控制难度，对s r d 速度 调节器算法的深入研究将有助于进一步提高这一新兴调速系统的竞争力。 目前常规的速度调节器以基于p i d 控制的线性算法为主1 2 0 ，通过实际现场 调整控制器参数以获得期望特性，而s r d 系统的非线性特性使得采用常规的线 性化方法难以设计出具有良好动静态特性的速度调节器；另一方面，开关磁阻电 机的转矩脉动直接影响着开关磁阻电机驱动系统的输出特性，无论是调速还是控 制转子位置，最终都可归结为对电机电磁转矩的调整，转矩脉动的增大将不可避 免地加重电机本体的振动，增加电机运行时的噪声。因此，对开关磁阻电机转矩 脉动抑制的研究一直得到人们的高度重视。 神经网络控制是- - f 7 新兴的理论和技术，它是自动控制学科发展过程中的一 个崭新的阶段，主要用来解决那些用传统的控制方法难以进行有效控制的复杂系 第一章绪论 统的控制问题。目前，对神经网络的研究与应用已深入到众多领域和学科，与传 统的控制方法相比，神经网络控制突破了传统控制理论中必须基于被控对象的数 学模型的限制，它按实际效果进行控制而不依赖于被控对象的数学模型，这给电 气传动系统的控制策略带来了新思路、新方法1 2 1 伽。在开关磁阻电机调速系统中 引入神经网络控制，可以利用其自学习、自适应、自寻优等优点来克服s r d 中 的变参数和非线性因素，从而提高系统的性能指标。 针对传统的b p 网络存在训练速度慢和局部最优的缺点，r b f 神经网络很好 地解决了这一问题，具有较快的学习速度和良好的泛化能力，且由于r b f 神经 网络的可调参数与网络的输出呈线性关系，因而非常适合用于菲线性连续系统的 自动控制中【2 5 - 2 8 1 。然而，有效地确定r b f 神经网络的结构和参数却没有系统的 规律可循，在r b f 神经网络中，需要确定的参数有隐层节点数、隐层节点的中 心值和宽度、隐层到输出层的连接权值。隐层节点中心值的选取对网络的函数逼 近能力具有很大的影响，不恰当地选取会使网络收敛慢，甚至会造成网络发散； 恰当选取则能提高网络的逼近能力和泛化能力，这就需要选择合适的算法对网络 进行构造和训练【2 ”o i 。 鉴于上述特点，论文以砌弭神经网络在开关磁阻电机控制( 包括转速控翩 和转矩控制) 中的应用为主题开展研究，以期对s r d 控制技术的发展起到积极 的作用。 1 4 本文所研究的内容及主要工作 本文主要进行了下述几个方面的工作： ( 1 ) 本文首先对开关磁阻电机的结构和运行原理进行了深入的分析和研究， 并根据实验样机，在m a t l a b s i m u l 烈k 仿真环境中建立了电机的非线性动态 仿真模型。 ( 2 ) 建立了电机控制电路、功率电路的数字仿真模型，进行了s r d 整体仿 真，并比较了不同控制方式下的输出波形。 ( 3 ) 将r b f 神经网路用于开关磁阻电机转速控制，提出了一种基于r b f 神经网络的开关磁阻电机自适应p w m 转速控制方法，设计了控制系统并进行了 仿真研究。 ( 4 ) 对基速以下开关磁阻电机的转矩波动进行了分析研究，以转矩分配策 略为基础，将r b f 神经网络用于开关磁阻电机的瞬时转矩控制，提出了一种基 于r b f 神经网络的开关磁阻电机瞬时转矩控制方法，设计了控制系统并进行了 仿真研究。 6 第一章绪论 ( 5 ) 设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为核心的开关磁阻电机转速控制系统， 进行了硬件电路设计和d s p 的软件编程。 7 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 本章介绍了开关磁阻电机驱动系统的基本构成和各部分的工作原理，概括了 s r d 的结构和性能特点，并对电机的控制方式进行了分析和比较。 2 1 开关磁阻电机驱动系统的基本构成及原理 2 1 1 开关磁阻电机驱动系统的基本构成 开关磁阻电机驱动系统是典型的机电一体化设备。它主要由开关磁阻电动机 ( s i t m ) 、控制器、功率变换器、信号检测装置四部分组成。其结构框图如图2 1 所示： l 电源卜 一 l 速度给定t - - - 图2 1s r d 结构框图 开关磁阻电动机是s r d 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 有别于其他 电机系统的主要标志。功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供 给电动机。位置传感器是转子位置信号和速度信息的直接或间接提供者。控制器 则是s r d 的指挥中枢，它综合处理速度指令及位置传感器、电流检测器的反馈 信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，从而实现对电机运行状态的控 制，使之满足预定的运行要求。 2 1 2 开关磁阻电机的基本结构与原理 开关磁阻电机为定、转子双凸极结构，定、转子均由普通硅钢片叠压而成。 转子既无绕组也无永磁体，定子凸极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联 成一相。图2 - 2 是四相( 8 6 ) 开关磁阻电机结构原理图。为简单表示，图中仅画 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 出了a 相绕组及其供电电路。 图2 - 2 四相( 8 6 极) 开关磁阻电机结构 开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小 的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴 线与磁场的轴线重合。这与传统的交、直流电动机靠定、转子绕组电流或永磁体 产生的磁场间的相互作用产生电磁转矩存在着根本的区别1 3 ”。图2 - 2 中，当定子 d - d 极励磁时，所产生的磁力力图使转子旋转到转子极轴线1 1 与定子极轴线 d - d 重合的位置，并使d 楣励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相 对位置作为起始位置，则依次给d a b c 相绕组通电，转子即会逆着励磁 顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给b a - - d c 相绕组通电，则转 子即会沿顺时针方向转动。可见，开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关， 而仅取决于相绕组通电的顺序。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大 小，进而改变电动机转速：若在转子极转离定子极时通电，所产生的电磁转矩将 会与转子旋转方向相反，成为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制方式便 可改变电动机的转向、转矩、转速和工作状态。另外，从图2 2 还可以看出，当 主开关器件s 卜s 2 导通时，a 相绕组从直流电源u 。吸收能量：当s 1 、s 2 关断时， 绕组电流经续流二极管v d i 、v d 2 继续流通，并回馈给电源u 。，使电机具有再 生作用，从而提高了电机的运行效率。 根据需要不同，开关磁阻电机可以设计成不同的相数，s r d 的工作原理决 定了它的运行方式为步进运行，绕组相数不同，相应的步进角度也不同。此外， 还必须考虑定、转子极数的搭配情况，为了防止电机中形成非对称拉力，定、转 子凸极均应设计成偶数；为提高转子的出力，实践中往往将转子的凸极数定为定 9 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 子凸极数减2 。常用的设计方案和相应的步进角如表2 - 1 所示。 表2 1 开关磁阻电机极数的各种组合方案 研究表明，低于三相的开关磁阻电机没有自起动能力，对于有自起动和四象 限运行要求的驱动场合，应优选表2 1 所示的定、转子极数组合方案。从该表中 可以看出：当相数较多时，电动机的步距角较小，这有利于减小转矩脉动，但会 使主开关器件增多，控制电路也会变得复杂，不利于提高系统的性能价格比；相 数越少，电动机结构越简单，相应的控制系统也会得到简化，但步距角变大，电 动机转矩脉动也会增大，特别是对电动机低速运行性能有较大影响，因此在确定 相数时要综合考虑两个方面的因素。目前，单相和两相开关磁阻电机常用于小家 电，工业用驱动系统以四相( 8 6 极) 结构为主，三相电动机也日益受到研究者 的重视。 2 1 3 功率变换器 开关磁阻电机只需要电流单方向流动，即输出转矩与电流方向无关，原则上 一相只需要一个主开关器件。因此s r d 的功率变换器比异步电动机p w m 功率 变换器更简单、更可靠。s r d 功率变换器的主电路拓扑结构主要有不对称半桥 电路、双电源电路、双绕组电路三种常见的基本形式1 3 2 。图2 - 3 至图2 5 分别表 示了这三种功率电路。 图2 - 3 不对称半桥功率电路 l o 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 u 图2 _ 4 双电源功率电路 图2 - 5 双绕组功率电路 不对称半桥功率电路每相有两个主开关器件和两个续流二极管，两个主开关 管v 1 和v 2 同时导通和关断。当两管导通时，电源加在相绕组两端，产生相电流； 当两管关断时，相绕组产生的反电势使得二极管v d l 和v d 2 正向导通，将电能 回馈给电源。若在导通时只关断其中一个主开关管，则绕组通过二极管和另一个 主开关管继续导通，变成零电压续流。零电压续流在电压斩波控制中很有用，它 使电流波形更加平滑，可降低斩波频率，减小斩波噪声和电磁干扰。另外两个电 路中各相只有一只功率开关，因此不便实现零压斩波。不对称半桥电路各相完全 独立，使用灵活方便，适用于高性能和较大容量s r d 系统中。 双电源电路中，借助两个电容器c l 和c 2 实现分压，绕组的一端共同接至电 源的中点，1 各相主开关器件和续流二极管依次上下交替排列。当a 、c 相导通时 消耗c l 中的电能，关断时，续流电流补充c 2 中的电能；当b 、d 相导通时消耗 c 2 中的电能，关断时，续流电流补充c l 中的电能。四相轮流对称工作时，将使 c 1 、c 2 电压相等。长时间导通一相，本电路将无法正常工作。在这个电路中， 加到绕组的正向、反向电压均为电源电压的l ，2 ，而另两个电路加到绕组的电压 为全部电源电压。双电源电路结构简单，但仅适用于偶数相电动机。此外，保持 上下桥臂的工作平衡使控制方式的选择受到一些影响。 双绕组电路每相由紧密耦合的一次绕组和二次绕组构成，功率开关接通时， 电流流过一次绕组，关断后，续流电流流过二次绕组。该电路在三种功率电路中 最简单，但以电动机绕组的复杂为代价；同时功率开关承受的电压较高，因此适 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 用于低压供电系统。 功率电路的设计要适应具体s l i d 的特点，许多研究者在上述几种典型的功 率电路的基础上，设计出了许多新型的功率电路( 如软开关电路，集中控制电路 等) ，这些电路具有控制方便、损耗小、效率高、稳定性强等优点。 除了电路拓扑结构的选择，功率电路中的主开关器件及其驱动电路也是影响 s r d 系统性能的一个关键环节，现代半导体器件发展方向为高频化、高可靠性、 大容量和简单化【3 习。具有自关断能力的器件有可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体 管( g n l ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 和m o s 场控晶闸管 _ o o d r 时，a 相关断，进入续流状态直到相电流衰减为零，再次进入截止状态。 在一个电感周期( 6 0 0 机械角度) 内，a 相的在负压斩波下的通断逻辑模型如图 3 3 所示。 图3 - 3 a 相通断逻辑模型 如前所述，通断逻辑是和控制方式密不可分，不同的控制方式要靠不同的通 断逻辑来实现。在该功率电路模型和通断逻辑模型中，可控变量为开通角8 。、 关断角口够以及导通时候加在相绕组上的电压珥。在电机运行过程中根据对位置 角臼和电流大小i 的检测，调整这三个变量的大小就可以实现电流调节、电压调 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机动态模型仿真 节以及角度控制等控制方式。 电流斩波控制方式下，a 相通断逻辑及功率电路的仿真模型如图3 - 4 所示。 3 4 控制器模型 图3 4 通断逻辑及功率电路仿真模型 这里的控制器指速度环的调节器，即转速控制策略。确定好控制方式后，由 给定速度和实际速度的偏差经过控制算法的运算，得到控制参考量( 电流、电压 或开关角) ，再经逻辑控制环节实现对电机的控制。常用的线性控制算法是p i d 算法，其仿真模块图如图3 5 所示 - o n v 曲_ 图3 - 5 p i d 控制仿真模型 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机动态模型仿真 3 5s r d 系统整体仿真 由前面得到的各部分模型可组成s r d 的整体动态仿真模型，在此模型基础 上便可对开关磁阻电机的各种控制方式和控制策略进行仿真分析，对于智能控制 策略的研究和分析将在后面章节中进行讨论。 s r d 系统整体仿真模块图如图3 - 6 所示，它由速度控制模块、通断逻辑和功 率电路模块以及电机本体模块三部分组成，其模型主要参数如下： 电感模型参数；l w 0 0 2 2 h , 三l = o 。1 5 h ；三2 = o 。0 2 5 h ；上3 = 0 0 1 4 h ；a l - 2 7 8 电枢电阻：r = i q 转动惯量：j - - - - 0 0 0 8 k g m 2 摩擦系数：d = 0 0 5 n m s r a d 图3 - 6s r d 的整体仿真模型 图3 7 至图3 1 5 分别表示出了开关磁阻电机在不同控制方式下对应的相电 压、相电流以及合成转矩的仿真波形。 图3 - 7 角度位置控制下一相电流波形( 空载1 2 0 0 r r a i n ) 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机动态模型仿真 图3 - 8 角度位置控制下一相电压波形( 空载1 2 0 0 r m i n ) 图3 - 9 角度位置控制下合成转矩波形( 空载1 2 0 0 r m i n ) 图3 1 0 电流斩波控制下一相电流波形( 空载5 0 0 r m i n ) 图3 - 1 1 电流斩波控制下一相电压波形( 空载5 0 0 r m i n ) 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机动态模型仿真 图3 1 2 电流斩波控制下合成转矩波形( 空载5 0 0 r m i n ) 图3 - 1 3 电压p w i v l 斩波控制下一相电流波形( 空载8 0 0 r r a i n ) 图3 一1 4 电压p w m 斩波控制下一相电压波形( 空载8 0 0 r r a i n ) 图3 一1 5 电压p w i v l 斩波控制下合成转矩波形( 空载8 0 0 r m i n ) 第三章基于m a t l a b 的开关磁阻电机动态模型仿真 从仿真波形可以看出，采用不同控制方式得到的电机相电流、相电压和转矩 波形不同，控制策略必须配以合理的控制方式才能获得满意的控制效果。建立起 了准确的s r d 非线性动态模型，就能对电机的动态特性进行更深入的研究，经 过对不同控制方式的仿真比较，可以获得在线性控制算法下电机转速、转矩的各 项性能指标，从而为智能控制策略的研究提供参考依据。 第四章基于r b f 神经网络的开关磁阻电机自适应p w m 转速控制 第四章基于r b f 神经网络的开关磁阻电机自适应p w m 转速 控制 本章首先对r b f 神经网络及其学习算法进行了介绍；然后详细讨论了基于 r b f 神经网络自适应控制系统的实现过程，重点介绍了网络的离线和在线训练 算法；最后通过与常规控制的仿真结果比较，证明了该控制系统具有动态响应速 度快、控制精度高、稳定性强等优点。 4 1r b f 神经网络及其学习算法 r b f 神经网络是由m o o d y 和d a r k e n 等人在2 0 世纪8 0 年代末提出的一种具 有单隐层的三层前馈神经网络，具有局部逼近能力，只要结构得当，能以任意精 度逼近任意连续函数，且具有全局最优和最佳逼近性能，这在一定程度上克服了 传统b p 神经网络的缺点。因此，近年来，r b f 神经网络在非线性系统的建模、 预测、分析等方面得到了广泛的研究和应用口9 - 4 2 。 r b f 神经网络的产生具有很强的生物学背景。在人的大脑皮层区域中，局 部调节及交叠的感受野( r e c e p t i v ef i e l d ) 是人脑反应的特点，r b f 神经网络正 是模拟了人脑中局部调整、相互覆盖接收域的神经网络结构，通过隐层节点中的 作用函数( 基函数) 对输入信号在局部产生响应，而网络的输出则是对隐层单元 输出的线性加权和。从总体上看，网络的输入到输出