（电机与电器专业论文）基于模糊神经网络的开关磁阻电机换相逻辑辨识.pdf

a b s t r a c t i nt h el a s td e c a d e ，t h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v e ( s r d ) i sr a p i d l yg a i n i n g i m p o r t a n c ea p p l i c a t i o ni nv a r i a b l e s p e e dd r i v es y s t e m s 。i tp o s s e s s e sm a n ys p e c i f i c a d v a n t a g e ss u c h a ss i m p l es t r u c t u r e ，aw i d es p e e dr a n g e ，s 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 ，g o o dr e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y s r d i sas y s t e mo f p o s i t i o nc l o s e d l o o p t h ea c c u r a t ea n dr e a l t i m ep o s i t i o ni n f o r m a t i o n i sv e r yi m p o r t a n tf o rh i g h p e r f o r m a n c eo p e r a t i n go fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) t r a d i t i o n a ll y , t h e p o s i t i o ni n f o r m a t i o ni sp r o v i d e db yam e c h a n i c a lr o t o rp o s i t i o ns e n s o r h o w e v e r , t h e e x i s t e n c eo fp o s i t i o ns e n s o rn o to n l yb r i n g so ns t r u c t u r ec o m p l i c a t i o n ，b u ta l s o w e a k e n st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma th i g hs p e e d s o ，p o s i t i o ns e n s o r l e s so p e r a t i o n h a sb e c o m em a i nt o p i ci nt h er e s e a r c hf i e l do fs r m b e c a u s eo fs r m si n h e r e n tn o n l i n e a r i t y , i ti sv e r yd i f f i c u l tt od e r i v eaa c c u r a t e a n a l y t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs r m t h ea p p li c a t i o n so ff u z z yn e u r a ln e t w o r k s p r o v i d ea ne f f i c i e n tm e t h o df o rt h em o d e l i n go f t h en o n l i n e a rs y s t e m f n ni sak i n d o fn e u r a ln e t w o r kb u i l tb yf u z z yr u l e s 。f n np o s s e s s e sn o to n l yt h ea d v a n t a g e so f f u z z yl o g i cl i k ec l e a rs t r u c t u r ea n de x a c tp h y s i c a lm e a n i n g ，b u ta l s ot h em e r i t so f n e u r a ln e t w o r k sl i k es t r o n ga b i l i t yt ol e a r n i n ga n dr a p i dc o n v e r g e n c e a l s o ，f n nh a s a na b i l i t yo fe x c e l l e n tn o n l i n e a ri d e n t i f i c a t i o n i th a sb e e na p p l i e dt of i e l d so f c o n t r o l l i n ga n dm o d e l i n g i nt h i sp a p e r , t h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d so fs r ma r ef u r t h e r d i s c u s s e da n ds u m m a r i z e d m a k i n gr e f e r e n c et ot h et h e o r yo fh a l ls e n s o r , t h i sp a p e r p r e s e n t san o v e lp o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lf o rs r m t h ep r o p o s e dm e t h o di sb a s e d o nf n n ，w h i c ha r eb u i l tt od i r e c t l ym a pt h er e l a t i o n s h i po fp h a s ec u r r e n t ，f l u xl i n k a g e a n dp h a s ec o m m u t a t i o ns i g n a l s a f t e rt r a i n i n gf n nw i t ho f f - l i n e ，p h a s ec o m m u t a t i o n s i g n a l sa r ei d e n t i f i e db yf n n t h e n ，m e c h a n i c a ls e n s o ri se x p e c t e dt ob es u b s t i t u t e d b yf n n t ov e r i f y t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d ，t h en o n l i n e a r i n d u c t a n c em o d e lo fs r mi sd e e p l ya n a l y z e d w i t hm e a s u r e df l u xl i n k a g e c h a r a c t e r i s t i co fp r o t o t y p e ，t h ep a r a m e t e r so fi n d u c t a n c em o d e la r ei d e n t i f i e db y n o n l i n e a rl e a s ts q u a r em e t h o d t h e n ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo ft h e4 一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 mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ee n v i r o n m e n to f m a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i cm o d e lh a sh i g h p r e c i s i o na n di ss u i t a b l ef o rt h er e s e a r c ho fc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e s s e c o n d l yb a s e do n t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l t h ep r e s e n t e dm e t h o do fp o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o l i s s i m u l a t e dd u r i n gt h es t a r t i n gp e r i o da n ds t e a d yr u n n i n gp e r i o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h a tt h i sm e t h o dc a ne x a c t l ya c h i e v ep h a s ec o m m u t a t i o ni d e n t i f i c a t i o n ，a n dt h e s y s t e mc a no p e r a t es t e a d i l yw i t ht h ep r o p o s e dp o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fs r m b a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 812a st h ec o r eo f c o n t r o l l e ri si n t r o d u c e da n ds u p p l i e sg o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h 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 rd r i v e ，p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o l ， f u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，p h a s ec o m m u t a t i o ns i g n a l s ，i d e n t i f ys i g n a l s 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，也不包含为获得丞鲞盘堂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：骖0 鸸良 签字日期： 矽p g 年f 月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞基茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘堂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：暧彳易辰 导师签名： 互2 豇雪彩 签字目期：劢p g 年歹月如日 签字日期：矿年，月卯日 第一章绪论 第一章绪论 开关磁阻电机驱动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n ed r i v e ，简称s r d ) 由 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e 简称s r m ) 、功率变换器、控制器 和位置检测器四部分组成，是二十世纪八十年代中期迅猛发展起来的交流驱动系 统。s r d 调速范围宽、调速性能优异，兼有异步电动机变频调速系统和直流电 机调速系统的优点，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，是各国研究和开 发的热点之一。s r d 产品已广泛或开始应用于电动机车驱动、家用电器、通用 工业、航空工业和伺服系统等各个领域，覆盖功率范围1 0 w - - - - 5 m w 的各种高低 速驱动系统，呈现出强大的市场潜力。 本章首先介绍了开关磁阻电机驱动系统的发展概况和研究现状；然后在阐述 模糊逻辑和神经网络原理的基础上介绍了模糊神经网络的基本原理和应用；最后 概述了本课题的选题背景和意义以及本文研究的主要内容。 1 1 开关磁阻电机驱动系统的发展概况和研究方向 1 1 1 开关磁阻电机驱动系统的发展概况 开关磁阻电机驱动系统的发展简史可以追溯到十九世纪四十年代，当时的研 究人员已认识到利用顺序磁拉力使电动机旋转是简单易行的。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 用两个u 型电磁铁制造了一台用于推进蓄电池机车的驱动 系统。但由于受机械开关的条件限制，其运行特性、可靠性和机电能量转换效率 都很低，难以引起人们的关注。随着电力电子器件和电磁场计算技术的发展，开 关磁阻电机逐渐吸引了人们的注意力。 二十世纪六十年代，大功率晶闸管的投入使用，为开关磁阻电机的研究和发 展奠定了重要物质基础。与此同时，高性能电子计算机的问世，为开关磁阻电机 的优化设计提供了有效的计算、分析工具，而电力电子学、微电子学的发展，则 保证了开关磁阻电机驱动系统的经济性。另外，j j a r r e l 在6 0 年代末提出的增加 饱和度有利于提高磁阻电动机出力的观点，则从理论上对开关磁阻电机的发展起 到了积极的推动作用。英国里兹大学于1 9 6 7 年开始对开关磁阻电机进行深入研 究，其三年的研究结果表明开关磁阻电机可在单向电流下四象限运行，功率变换 器无论使用晶体管还是普通晶闸管，所需的开关数都很少，电动机成本明显低于 第一章绪论 同容量的异步电动机。英国诺丁汉大学于1 9 7 3 年也开始了对开关磁阻电机的研 究工作。上述两所大学于1 9 7 5 年联合进行了c h l o r i d at e c h n i c a l 有限公司发起的 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5 0 k w 开关 磁阻电机驱动装置，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s r d 大有前途。 1 9 8 0 年，英国学者p j l a w r e n s o n 及其同事在i c e m 会议上，系统地阐述了 开关磁阻电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代开关磁阻电机的地位。同 年，英国成立了世界上第一家开关磁阻电机驱动装置有限公司( s r dl t d ) ，开发 了一系列的s r d 产品，其中最著名的是t a s cd r i v e s 推出的o u l t o n 系列产品， 1 9 8 4 年又推出4 个规格4 2 2 k w 的系列产品，从而拉开了开关磁阻电机商业化的 序幕。除英国外，美国、加拿大、前南斯拉夫、埃及、土耳其等许多国家也都在 积极开展开关磁阻电机的研究工作。美国空军和g e 公司联合开发了航空发动机 用s r d 起动发电机系统，有3 0 k w 、2 7 0 v 、最大转速5 2 0 0 0 d m i n 和2 5 0 k w 、2 7 0 v 、 最大转速2 3 0 0 0 r m i n 两种规格。加拿大、前南斯拉夫在开关磁阻电机的运行理 论、电磁场分析等方面作了大量研究工作。埃及则对小功率的单相、两相开关磁 阻电机的结构、起动性能等方面进行了许多研究。理论研究和实际应用表明，由 于开关磁阻电机独特的结构，其单位体积出力完全可以与异步电动机相媲美。 从1 9 8 4 年开始，我国许多单位先后开展了对开关磁阻电机的研究工作，并 被列入我国中、小型电机“七五”科研规划项目。目前，已有高等院校、研究所和 工厂及其所属研究部门约几十个单位开展了对s r d 电机的研究开发工作，并取 得了一定的成果，研制了多个规格的工业产品样机，在纺织机械、毛巾印花机、 泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机及轻型龙门刨床和食品加工机械等方面的应用中 取得了良好的效果。国内对s r d 的理论研究著作相继出版，对开关磁阻电机的 研究工作已从摸索合理的设计方法发展到如何对电机进行优化控制，在开关磁阻 电机绕组互感对运行的影响、转矩脉动、电流波形的优化、振动与噪声、发热以 及铁耗计算等方面出现了许多独特的观点和见解。虽然我国开关磁阻电机研究开 发工作借鉴了一些国外经验，但在理论研究、实际的产品开发上与国外还有较大 的差距。 1 1 2 开关磁阻电机驱动系统的研究方向 s r d 作为一项新技术涉及电动机、微电子、电力电子、微机、控制、机械 及工程应用等众多的学科领域。从目前的发展水平看，无论理论还是应用上都存 在不少问题，有待进一步的研究与完善【14 1 。 ( 1 ) 进一步完善开关磁阻电机设计理论 2 第一章绪论 开关磁阻电机的设计主要是通过分析和仿真电机饱和磁场及其对转子的作 用力，来优化电机定、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，减少损耗和降低噪音、振动等目的。目前，在开关磁阻电机结构形式、 电磁场分析、电磁设计、性能计算及参数优化等方面已取得了大量的研究成果， 但仍然存在许多急需解决的问题。主要问题是难以建立一套效率高、适用于工程 设计要求的优化设计方法。目前，采用二维非线性有限元方法分析开关磁阻电机 的饱和磁场具有局限性，如对以磁路为基础的设计方法研究不够深入，现有场的 方法精度不是很高等。现在电机设计和结构优化应当以计算机辅助设计为基础， 向智能化方向发展，充分考虑电机的端部效应，开展开关磁阻电机三维场的研究。 ( 2 ) 加强对铁心损耗的理论研究 开关磁阻电机非线性的磁场特性导致相绕电流波形较为复杂，一般为单向脉 动的非正弦波，同时定转子各部分铁心中存在不同的磁通密度变化规律，计算和 测量定、转子铁心损耗颇为困难，因此如何建立准确实用的铁心损耗计算模型和 分析测试手段成为当前的主要问题之一。 ( 3 ) 探索实用的无位置传感器转子位置检测方案 s r d 是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了开关磁阻电机结构 简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性。因此，无位置传感器控制成为 开关磁阻电机研究的热点。经过大量的研究和实践，出现了许多取消传感器的位 置检测方案如磁链法、波形检测法、状态观测器法、高频脉冲注入法等。随着新 型电力电子器件及数字信号处理器的发展，开关磁阻电机无位置传感器的实现技 术必将进一步的发展。同时，考虑到开关磁阻电机的参数时变性和非线性性，只 有探索适应参数变化的实时位置检测技术，才能实现高性能的开关磁阻电机控 制。 ( 4 ) 加强对电机转矩脉动及电磁噪声的理论研究 开关磁阻电机的转矩脉动及其引起的噪声是其驱动系统一个颇为突出的缺 点，这限制了其在诸如伺服驱动这类低速要求平稳且有一定静态转矩保持能力场 合下的应用。因此，研究抑制开关磁阻电机的振动和噪声也是改善其驱动系统性 能的重要课题之一。减少开关磁阻电机的振动、噪声的关键在于减小作用在定子 上的径向力大小。从开关磁阻电机自身的结构设计上，主要是合理设计极的形状、 定子磁轭强度和电动机刚度，合理选择气隙、极弧参数；从控制角度看，主要是 优选导通角和关断角及调节好各相工作参数的对称性。 ( 5 ) 探索先进控制技术的实现和应用，提高电机运行性能 由于开关磁阻电机本身的非线性电磁特性及多变量的特点，使得其控制存在 较大的难度。近几十年来，线性控制理论、非线性控制理论和智能控制理论都在 第一章绪论 s r m 控制中得到了应用。未来s r m 控制的发展趋势可分为以下几个方面。一是 建立更加精确的数学模型。多维系统辨识、小波模型、神经网络建模等各种建模 理论发展迅速，并且在控制系统中应用日益深入，s r m 数学模型的研究也必然 受到这趋势的推动。相信结合各种现代建模理论的s r m 非线性数学模型在不 久的将来会被提出。二是非线性控制理论、智能控制理论的应用。尽管非线性控 制理论和智能控制理论已经在s r m 控制系统中得到了应用，但是控制效果并不 理想，主要原因在于这些控制理论结合的控制策略还不完善。可以预见，未来一 段时间各种非线性控制理论、智能控制理论，将与控制策略的研究同步进行，它 们将以更加有效的途径应用于s r m 驱动系统中。三是高性能驱动系统的研究。 人们对s r m 非线性本质认识的加深，以及转矩脉动抑制研究的进一步发展，必 将s r m 在伺服驱动等高性能驱动领域获得广泛的应用创造条件。四是数字控制 技术和智能控制算法的结合。随着微处理技术和数字信号处理技术的发展，利用 先进的数字芯片和微处理器实现开关磁阻电机的智能控制将得到更加深入的研 究，许多高校和科研机构也增加了相应的投入，正在从事大量的研究工作。 ( 6 ) 完善开关磁阻电机调速系统中开关磁阻电机、功率变换器及控制器之 间的协调设计，使系统整体性能得到最优 开关磁阻电机驱动系统是典型的机电一体化装置，各部分间的联系非常密 切。为使系统整体最优，应借助计算机辅助设计将电动机、功率变换器及控制器 三者作为整体进行优化设计，而不应将各部分的设计割裂开来，仅使局部的综合 设计和个别参数得到优化。 1 2 模糊神经网络 1 2 1 模糊逻辑原理简介 1 9 6 5 年，美国控制论专家l a z a d e h 提出了模糊集合理论，从了创立了模糊 数学。模糊逻辑是一种基于模糊集合理论的精确解决不精确不完全信息的方法， 其最大的特点是可以比较自然地处理人类的概念【5 击】。模糊逻辑通过模糊集合来 工作。模糊集合不同于传统集合，它具有灵活的隶属关系，允许元素在一个集合 呻部分隶属，而不像传统集合那样要么是l 要么是0 。模糊集合理论是介于逻辑 计算和数值计算之间的一种数学工具。它形式上利用模糊规则进行逻辑推理，但 其逻辑取值可在0 和1 之间连续变化，采用数值的方法而非符号的方法进行处理。 符号处理可以直截了当地用规则来表示结构性的知识，因此模糊逻辑系统可以采 用数值的方法来表示结构性的知识。模糊逻辑系统是指与模糊概念( 如模糊集合、 4 第一章绪论 语言变量) 和模糊逻辑有直接关系的系统，它由模糊产生器、模糊规则库、模糊 推理机和反模糊化器组成，如图1 1 所示。模糊产生器将论域u 上的点一一映射 为u 上的模糊集合；反模糊化器将论域v 上的模糊集合一一映射为y 上的确定 点；模糊推理机根据模糊规则库中的模糊推理知识以及由模糊产生器产生的模糊 集合，推理出模糊结论，亦即论域y 上的模糊集，并将其输入到反模糊化器。图 1 1 为一般的模糊逻辑系统，按照常见的形式，模糊逻辑系统可分为纯模糊逻辑 系统；高木一关野模糊逻辑系统；具有模糊发生器和反模糊化器的模糊逻辑系统； 广义模糊逻辑系引刚。 图l 一1 模糊逻辑系统 模糊逻辑系统具有许多极其重要的优点： ( 1 ) 由于输入、输出均为实型变量，故特别适用于工程应用系统； ( 2 ) 它提供了一种描述专家组织的模糊“i f t h e n 规则的一般化模式； ( 3 ) 模糊产生器、模糊推理机和反模糊化器的选择有很大的自由度，因此， 当用模糊逻辑系统解决某些特殊的问题时，可通过学习的方法选择最优的模糊逻 辑系统，使之能利用数据和语言两类信息。 1 2 2 神经网络原理简介 神经网络系统的研究可以追溯到1 8 0 0 年f r u e d 的精神分析学时期，他做了 一些初步工作。19 4 3 年，美国心理学家w a r r e nsm x c u l l o c h 与数学家w a l t e r hp i t t s 合作提出形式神经元数学模型( m p ) ，从此开创了神经科学理论的新时代。1 9 5 7 年，f r a n kr o s e n b l a t t 首次提出并设计制作了著名的感知机( p e r c e p t i o n ) ，将神经 网络第一次从理论研究转入过程实现阶段。1 9 8 6 年r u m e l h a r t 等人提出了误差反 向传播神经网络，简称b p 网络，成为目前应用最为广泛的神经网络。从1 9 8 7 年发展至今，神经网络的研究已经取得了重大的进展1 7 j 。 神经网络是由大量人工神经元互联组成的网络，它从微观结构和功能上对人 第一章绪论 脑进行抽象、简化而模拟人类智能，能反映人脑功能的并行信息处理、学习、联 想、模式分类、记忆等基本特征。单神经元模型如图1 2 所示。 连接权 阀值 图1 - 2 基本神经元模型 单神经元有三个基本组成要素： ( 1 ) 一组连接( 对应于生物神经元的突触) ，连接强度由各连接上的权值表 示，权值为正表示激活，为负表示抑制； ( 2 ) 求和单元，用于求取各输入信号的加权和( 线性组合) ； ( 3 ) 一个非线性激励函数，起非线性映射作用并将神经元输出幅度限制在 一定范围内。 神经网络的拓扑结构是神经网络的一个重要特性。根据连接方式的不同，神 经网络可分为前馈型网络和反馈型网络。前馈网络各神经元接受前一层的输入， 并输出给下一层，没有反馈，通常可分为不同的层。如果第七层的输入只与第 缸1 层输出相连，且输入和输出结点与外界相连，则分别称这两层为输入层和输 出层，而其它中间层称为隐层。前馈网络主要是函数映射，可用于模式识别和函 数逼近。反馈型网络所有结点都是计算单元，同时也可接收输入，并向外界输出。 反馈网络可用于各种联想存储器或用于求解最优化问题。 神经网络具有以下特性： ( 1 ) 神经网络具有非线性逼近能力，能够以任意精度逼近非线性映射，因 此，在用于非线性系统的过程控制时，具有更大的发展前途； ( 2 ) 神经网络具有并行分布处理能力，这种高效并行结构使得神经网络能 够对信息进行高速并行处理； ( 3 ) 神经网络具有学习和自适应功能，能够根据系统过去的记录，找出输 入输出之间的内在联系，从而求得问题的答案，且这一处理过程不依靠对问题的 先验知识和规则，因此，神经网络具有较好的自适应性； ( 4 ) 神经网络具有数据融合能力，可以同时对定性数据和定量数据进行操 6 第一章绪论 作； ( 5 ) 神经网络具有多输入和多输出网络结构，可以处理多变量问题； ( 6 ) 神经网络的并行结构便于硬件实现。 1 2 3 模糊神经网络技术 以模仿脑思维方式为基础的模糊逻辑和以模仿人脑生理模式为基础的神经 网络都拥有各自的优势，但二者也都存在明显的不足：模糊逻辑是一种处理不确 定性、非线性和其他不适应问题的有力工具，比较适合于表达那些模糊或者定性 的知识，其推理方式比较类似于人的思维方式，i f t h e n 规则之上的模糊逻辑 系统，具有容易被人理解的表达能力。但是一般来说模糊逻辑系统缺乏自学习和 自适应能力；神经网络具备并行计算、分布式信息存储、容错能力强以及具备自 适应学习功能等一系列优点。但神经网络不适于表达基于规则的知识，不善于很 好的利用已有专家的经验知识。基于以上的讨论，若能将模糊逻辑系统和神经网 络适当的结合起来，一方面可为模糊逻辑控制引入学习机制，自动生成模糊控制 规则及隶属函数；另一方面也可使神经网络的表达能力加强，各参数具有明确的 物理意义，增强了泛化能力和容错能力等。实际上模糊逻辑系统和神经网路的结 合是对人脑结构和功能的模拟，即大脑神经网络“硬件”拓扑结构与信息模糊处 理“软件”思维功能的结合博j 。 将模糊逻辑系统和神经网络融合起来的研究始于二十世纪七十年代， s c l e e 和e t l e e 首次提出了模糊神经元的概念，但后来由于未能找到有效的 神经网络学习算法而发展缓慢。随着神经网络技术、模糊技术的飞速发展，模糊 神经网络技术在八十年代后渐渐得到了人们的重视，并取得了较快的发展。特别 是日本研究工作者在这方面的研究非常活跃，将之应用到了温度控制、家用电器、 模式识别、图像处理等领域。早期的尝试，主要是利用神经网络来改善模糊系统 的学习能力，如采用神经网络来逼近模糊系统的输入输出，调整隶属度函数和模 糊推理规则，利用神经网络学习关系矩阵等。但是，现在备受瞩目的方法是将模 糊系统用等价的神经网络来实现，形成模糊神经网络或称为神经模糊推理系统。 这样，模糊神经网络就一方面具有表达模糊知识和实现模糊推理的能力，另一方 面又继承了神经网络的非线性映射能力和强大的数据信息处理能力和自适应能 力。 在模糊神经网络中，神经元的设计应使之具有和非模糊神经元大致相同的功 能，但同时有要求它能反映神经元的模糊性质，具有模糊信息的处理能力。图 1 3 表示一种模糊神经元的基本结构。对该神经元的输出分别是论域矾、u 2 、 碥中的模糊集彳l 1 ) 、么2 纯) 、a 。( x n ) 。输入被加权的方式与模糊非模糊情况 7 第一章绪论 图1 5 基于t - s 型的模糊神经网路 模糊神经网络也是局部神经网路，但是它是按照模糊系统模型建立的神经网 络，网络中的各个节点及所有参数均有明显的物理意义，因此这些参数可以根据 模糊逻辑系统的知识或者定性的知识加以确定，然后利用神经网络的快速学习算 法来进一步的学习。这是模糊神经网络比单纯的神经网络的优点所在。同时它具 有神经网络的结构，因而参数的学习和调整比较容易，这是它比单纯的模糊逻辑 系统的优点所在。但是模糊神经网络的技术出现时间不长，所以无论从理论研究 还是实际应用上还存在许多不完善的地方，比如现有模糊神经网络算法往往只针 对某些具体应用，未从数学上形成成型的理论；应用范围多局限于神经网络和模 糊控制的应用领域；没能在模拟人脑功能上实现较大的突破。但是，可以预见， 随着人们对人类智能做更深入的多层次的研究，随着神经网络和模糊技术的飞速 发展，神经模糊技术必将成为实现人工智能的一个重要手段，并将获得更加广泛 的应用。 1 3 选题的背景和意义 开关磁阻电机自问世以来，以其优越于传统电机的结构、性能和经济指标， 受到学术界极大的关注。与其他各类调速系统相比，开关磁阻电机驱动系统由于 工作可靠、效率高和成本低等优点而具有相当的竞争力。 s r d 是位置闭环系统，获得转子位置信号的传统方式是采用位置传感器直 接检测，但位置传感器的存在不仅削弱了s r m 结构简单的优势，而且降低了系 统高速运行的可靠性，增加了成本。因此，对s r m 的无位置传感器技术的研究 9 第一章绪论 已经越来越受到人们的重视，探索实用的无位置传感器检测转子位置的方案成为 s r d 研究的热点之一。 目前，国内外的无位置传感器研究方法主要有两种【9 1 ：脉冲注入测量法和状 态模型观测法。脉冲注入法【lo j 的基本思想为：充分利用s r m 空闲相，人为地注 入低幅高频的模拟测试信号，从而产生需要的电压电流等信息以得到转子位置信 息。状态模型观测法不需要外接测试信号以产生s r m 电压电流信息，而是直接 以s r m 运行相的电流电压信息为基础，根据电机的数学模型和磁特性曲线得到 位置信息，例如磁链法【1 、状态观测器法【1 2 】、电感模型法及简化磁链法等。这 类无位置传感器技术是目前研究的主流。 为了提高输出功率密度，开关磁阻电机通常运行于深度磁饱和状态，这导致 了开关磁阻电机的电磁特性呈高度非线性，在精确的数学模型基础上实现转子位 置的准确估计十分困难。而智能理论的发展1 1 3 - 1 4 1 为解决这一问题提供了有效的思 路。很多文献用智能算法建立起相电流和磁链与转子位置之间的非线性关系，从 而得到了转子位置的估计值 1 5 - 1 8 】。但是，这种方法需将估计的转子位置角度与与 设定的开通角和关断角相比较，才能得到各相的开关信号。显然，上述方法的算 法复杂，不利于实时控制，而且误差比较大。 模糊神经网络是一种按照模糊规则建立的神经网络，学习速度快，泛化能力、 适应能力强，具有很好鲁棒性和容错性。由开关磁阻电机的运行原理可知，当固 定开关角时，相开关信号是相电流和磁链的非线性函数。因此，可以利用模糊神 经网络为这种非线性函数关系建立起有效的映射。以每相电流和磁链作为模糊神 经网络的输入，直接映射出每相的开通和关断信号，进而通过功率变换器控制各 相的开通和关断，从而实现了无位置传感器的控制。 1 4 本文研究的内容和主要工作 本文采用模糊神经网路实现了开关磁阻电机的无位置传感器控制，以期提高 开关磁阻电机驱动系统的控制性能，主要的工作有以下几点： ( 1 ) 对开关磁阻电机的非线性数学模型进行了深入的分析和研究，并根据 实验样机相关数据，在m a t l a j b s i m u l i n k 仿真环境中建立了电机驱动系统的非线 性动态仿真模型； ， ( 2 ) 总结了国内外开关磁阻电机无位置传感器技术的研究现状，并分析了 存在的主要问题； ( 3 ) 提出了一种利用模糊神经网络进行开关磁阻电机无位置传感器控制的 新方法。该方法采用模糊神经网络建立相绕组电流、磁链与相开关信号之间的非 1 0 第一章绪论 线性映射，在线辨识相开关逻辑信号，实现了开关磁阻电机在起动阶段和稳定阶 段的无位置传感器控制； ( 4 ) 在理论研究的基础上，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片为核心的 开关磁阻电机控制系统，进行了相关实验。 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 本章主要阐述了开关磁阻电机驱动系统的基本构成、控制方式以及驱动系统 的性能和特点。 2 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主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和信号检 测器四部分组成，如图2 1 所示。下面分别介绍驱动系统的各个部分。 电源 速度 2 1 1 开关磁阻电机 图2 1 开关磁阻电机驱动系统的基本构成 开关磁阻电机是s r d 中实现机电能量转换的核心部件，也是s r d 有别于其 它调速系统的主要标志。开关磁阻电机与反应式步进电机相似，遵循磁通沿磁导 最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩。开关磁阻电机的定、转子的凸极 均由普通硅钢片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组， 径向相对的两个绕组串联构成“一相”。开关磁阻电机定、转子的极数有多种不同 的搭配，如6 4 、8 6 、1 0 8 等，可以设计成多种不同的相数结构。开关磁阻电机 的相数越多，步距角越小，越有利于减小转矩脉动，但将造成电机结构复杂、主 开关器件增多、成本增加。目前开关磁阻电机应用较多的是四相8 6 极结构。 2 1 2 功率变换器 功率变换器是开关磁阻电机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电机绕 1 2 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 组的开关部件。当采用交流电源供电时，功率电路包括整流电路和功率变换电路： 当采用直流电源供电时，功率电路仅包括功率变换电路。整流电路作用是将交流 电源转换为直流电源，电路比较简单，一般有三相桥式电路、三相零式电路或单 相桥式电路等。整流后的直流环节通常采用电解电容滤波。功率变换电路相对较 为复杂，开关磁阻电机驱动系统常用的功率变换电路有如图2 2 所示的三种19 1 。 ( a ) ( b ) 图2 2 三种基本的功率变换器电路 图2 - 2 ( a ) 所示的主电路为双开关功率变化器，即不对称半桥电路。该电路 每相有两个主开关，工作原理简单。斩波时可以同时关断两个主开关，也可只关 断一个。这种主电路中主开关承受的额定电压为u 。它可用于任何相数、任何功 率等级的情况，在高电压、大功率场合下有明显的优势。 图2 2 ( b ) 所示的主电路为双绕组功率变换器，特点是有一个初级绕组w l 与一个次级绕组w 2 完全耦合( 通常采用双股并绕) 。工作时，电源通过开关管v 向绕组供电；v 关断后，磁场储能由w 2 通过续流二极管v d 向电源回馈。v 承 受的最大工作电压为2 u ，考虑到过电压因素的影响，v 的反向阻断电压定额通 常取4 u 。可以看出，这种主电路每相只有一个主开关，所用开关器件数少。其 缺点是电机与功率变换器连线较多，电机绕组利用率较低。 图2 - 2 ( c ) 所示的主电路为双电源功率变换器，该电路为裂相式电路，以对 称电源供电。每相只有一个主开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量 回馈到下电源，或从下电源吸取能量，将剩余的能量回馈到上电源。因此，为保 证上、下桥臂电压的平衡，这种主电路只能使用于偶数相电机。主开关正常工作 时的最大反向电压为u 。由于每相绕组导通时绕组两端电压仅为u 2 ，要做到开 关磁阻电机出力相当，电机绕组的工作电流须为图2 3 ( a ) 所示的主电路的两倍。 这三种主电路各有优、缺点。图2 3 ( a ) 所示的主电路控制起来灵活，流经 主开关的电流小，适配电机的范围大，图2 3 ( b ) 、( c ) 所示的主电路所需主开 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 关的数目少。由于各主电路的主开关总伏安容量大抵相等，成本相差不大。 2 1 3 位置和电流检测 开关磁阻电机驱动系统是位置闭环控制系统，为使开关磁阻电机正常的工 作，必须在转子转到适当的位置时导通适当的绕组，并在转动过程中始终正确的 切换各相绕组，因此，驱动系统中必须安装位置传感器，这是开关磁阻电机驱动 系统区别于其他一般电动机的一个明显区别。位置传感器的种类很多，如霍尔传 感器、光敏式传感器、接近开关式传感器、谐振式传感器和高耦合式传感器等。 其中，光敏式和霍尔式位置传感器因其简单、实用而得到广泛应用；它们的缺点 是检测精度不高，不适用于对电机进行角度控制的场合。改进的措施是配上相应 的倍频电路，以提高转子角度分辨率，从而实现角度控制所需的角度精确定位。 在调速范围较广，倍频电路的动态响应时间不能满足要求时，还需在电动机轴上 加上光电编码器，直接产生高分辨率的角度位置脉冲信号。采用无位置传感器的 位置检测方法是开关磁阻电机驱动系统的发展方向，对降低系统成本、提高系统 可靠性有重要的意义。 s r d 低速运行时，为调节转矩和限制绕组电流的幅值，通常采用电流斩波 控制，这必须准确可靠地检测出实际相电流的大小；即使采用电压斩波控制和高 速运行中的a p c 方式，为防止系统过载或故障运行，亦需随时监测绕组的实际 电流。因此，电流检测也是s r d 中必不可少的。鉴于功率变换器中，输出的相 电流是单向脉动的，常用的检测电流的方法，有如下几种：电阻采样、直流电流 互感器、霍尔元件采样以及磁敏电阻采样等。 2 1 4 控制器 控制器综合处理位置传感器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流 等反馈信息及外部输入的指令，实现对开关磁阻电机运行状态的控制，是开关磁 阻电机驱动系统的指挥中枢。控制器的硬件结构目前有两种形式：一种是采用全 数字电路和线性电路构成，另一种则以单片机或d s p 为核心构成。早期开发的 开关磁阻电机驱动系统一般采用完全硬件电路方案，优点是动态响应快，缺点是 电路复杂，很难实现较复杂的控制策略，且灵活性和稳定性较差。采用单片机作 为控制核心的方案就非常灵活，但系统响应速度受单片机处理速度影响比较大。 随着单片机处理位数的提高，尤其是d s p 的出现，使得控制的实时性大大提高， 由于大部分功能由软件完成，使得许多复杂的控制方案得以实现。在开关磁阻电 机驱动系统中，一般要求控制器具有下述性能：电流斩波控制，角度位置控制， 1 4 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 起动、制动、停车及四象限运行和速度调节掣2 1 1 。 2 2 开关磁阻电机驱动系统的控制方式及特点 2 2 1 开关磁阻电机的基本工作原理 开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机，其运行原理遵循“磁阻最小原 理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生切向磁拉力。图 2 3 是四相( 8 6 极) 开关磁阻电机结构原理图。为简单表示，图中仅画出了a 相绕组及其供电电路。 u s 图2 3 四相( 8 6 极) 开关磁阻电机结构 当定子d d7 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 相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，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 3 还可以看出，当 主开关器件s 1 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源u s 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 s ，使电机具 第二章开关磁阻电机驱动系统的基本原理 有再生作用，从而提高了电机的运行效率。 由以上分析可知，开关磁阻电机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而 产生的。因此，适当的饱和有利于提高s r d 的总体性能，电动机磁路的饱和是 开关磁阻电机的又一重要特征。考虑到开关磁阻电机磁路的非线性，其转矩应根 据磁共能矿来计算，即 丁( = 百a w ( e , o ( 2 1 ) 式中口为转子位置角，i 为绕组电流。