RBFNN的无刷直流电机直接电流控制与转矩分析.pdf

天津大学 硕士学位论文 基于RBFNN的无刷直流电机直接电流控制与转矩分析 姓名 王娟 申请学位级别 硕士 专业 电机与电器 指导教师 夏长亮 20030101 中文摘要 本文研究了无刷直流电机的无位置传感器控制技术 转矩波动抑制理论及 其D S P 控制 首先 构造一个隐层节点初始个数为零的R B F 网络 在训练过程 中不断地按照自适应算法添加和删除隐层单元 形成一个结构简单 紧凑的 R B F 网络以实现电机电压 电流与功率开关导通信号之间的非线性映射 完成 无位置传感器的直接电流控制 利用来自实验数据的训练样本按给出的自适应 算法对网络进行离线训练 确定R B F 网络隐层节点的个数及位置 再按递推最 小二乘法 R L S 在线修正隐层与输出层之间的连接权 这样 在保证网络结 构简单 紧凑的同时 在线训练算法简单 提高了系统的动态响应速度 其 次 提出了基于R B F 神经网络的无刷直流电机无位置传感器控制下转矩波动抑 秘策略 通过对两个R B F 神经网络按照本文提出的自适应算法进行离线训练 实现了电机电压 电流与转予位置之间以及转矩 转予位置与参考电流之间的 非线性映射 将训练完的网络分别用于转子位置与参考电流的在线估计 并按 参考电流调节电枢绕组的电流 在实现无位置传感器控制的同时 达到了抑制 转矩波动的目的 最后 本文介绍了无刷直漉电机无位置传感器控制的D S P 实 现技术 给出了无刷直流电机无位置传感器控制硬件系统与软件结构图 以及 相应的实验结果 关键词 无刷直流电机 自适应R B F 神经网络 宣接电流控制 转矩波动 D S P A B S T R A C T T h i sr e s e a r c hf o c u s e so nt h e t e c h n i q u e o fp o s i t i o n s e n s o r l e s s c o n t r o l t h e m e t h o d so ft o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o na n dt h eD S P c o n t r o lf o rt h eb m s h l e s sD C m o t o r B L D C M t h eI nt h i sp a p e r an o v e la p p r o a c hb a s e do na l l a d a p t i v eR a d i a l B a s i sF u n c t i o n R B F n e u r a ln e t w o r ki s p r o p o s e d a n dt h r o u g ht h i sa p p r o a c h t h e d i r e c tc o n t r o lo ft h ec u r r e n t sf o rab r n s h l e s sD Cm o t o rw i t h o u tp o s i t i o ns e n s o r si s r e a l i z e d I nt h e p r o p o s e d K B F n e t w o r k t h e r ei sn Oh i d d e nu n i t sa tt h e b e g i n n i n g a n d d u r i n gt h ep r o c e s so fl e a r n i n g t h e ya r ei n c r e a s e do rd e c r e a s e da c c o r d i n gt oa l l a d a p t i v ea l g o r i t h mS Ot h a taR B F n e t w o r ki sb u i l tw i t ham u c h s i m p l e ra n dt i g h t e r s t r u c t u r et of o r ma ne f f i c i e n tn o n l i n e a r m a p f r o mt e r m i n a l v o l t a g e sa n dp h a s ec u r r e n t s o ft h em o t o rt ot h es t a t e so ft h ep o w e rs w i t c h e s f a c i l i t a t i n gt h ee l i m i n a t i o no ft h e p o s i t i o ns e n s o r s T h eR B F n e t w o r ki St m i n e x lb o t ho f f i i n ea n do n l i n e I nt h eo f f i n e w a y sw i t ht h et r a i n i n gd a t ac o l l e c t e df r o me x p e r i m e n t s t h en u m b e ra n dl o c a t i o n so f t h eh i d d e nu n i t so ft h eR B F N Nf l l e o b t a i n e d w h i l eo n l i n e 1 e a r n i n g t h ew e i g h t s b e t w e e nt h eh i d d e nl a y e ra n dt h eo u t p u tl a y e ra r eu p d a t e d a c c o r d i n g t ot h er e c u r s i v e l e a s ts q u a r e s R L S a l g o r i t h m T h e r e f o r e t h es i m p l e n e s sa n dt i g h t n e s si se n s u r e d a t t h es a m et i m e t h eo n l i n ea l g o r i t h mi sv e r ys i m p l eS Ot h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s i b l e s p e e d i s i m p r o v e d S e c o n d l y t od e a lw i t h t h ei s s u e so fr o t o r p o s i t i o n s e n s o r r e q u i r e m e n ta n dl l i g ht o r q u er i p p l ep r o d u c t i o n i nab r u s h i o s sD Cm o t o r d r i v e an o v e l m e t h o df o rt o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o nb a s e do nR B Fn e t w o 嫩f o ras e n s o r l e s s b m s h l e s sD C m o t o ri sp r o p o s e d T w oR B Fn e t w o r k 目a 糟t r a i n e dO f f l i n ew i t ht h e a d a p t i v ea l g o r i t h m a d v a n c e di nt h i sp a p e rt oo b t a i nl h es i m p l e s ta n d t i g h t e s ts t r u c t u r e O n eo ft h em z i n e dn e t w o r k si su s e dt 0r e a l i z et h ef u n c t i o nb c t w nt h ev o l t a g e sa n d p h a s ec u n e n L so f t h em o t o r a n dt h eo t h e ro n ei sf o rt h ee s t i m a t i o no f 伽r e f e r e n c e c u r r e n t sw i t had e s i r e dt o r q u e T h e nt h er e a lc u r r e n t si nt h ea r m a t u r e sa r c 删n s t e d a c c o r d i n gt ot h er e f e r e n c ev a l u e s t h e r e f o r et h et o r q u er i p p l eg e n e r a t e db yt h en o n i d e a lc u r r e n t w a v e f o r m si sm i n i m i z e df o rab r u s h l e s sD Cm o t o rw i t h o u tp o s i t i o n s e n s o r s T h es e n s o r l e s sc o n t r o lt e c h n i q u eo f t h eb r u s h i e s sD em o t o rb a s e dO P tD S Pi s i n t r o d u c e d T h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi 8g i v e n a n dt h er e l e v a n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 眦a n a l y s e d K e y w o r d s ib r n s h l e s sD Cm o t o r a d a p t i v eR B Fn e t w o r k d i r tc o n t r o lo fc u r r e n t s t o r q u er i p p l e D S P 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 也不包含为获得盘壅盘鲎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 签字同期 卯弓年f 月f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权叁注盘鲎可鼢将学位论文的垒部或部分内搴编氏有麓数据库进行检 索 并采用影F 1 1 缩印或扫描等复制手羧像存 汇编鹱供壹阕翻错阅 同意学校 向国家有关部门或机拇递交论文的复印件秘磁盘 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 琊 导师撼丧舌乇 签字日期 沙哆年f 月 日 签字日期 寸一 年 月 日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了永磁无刷直流电机的发展状况 阐明了本课题研 究背景和意义 同时对国内外永磁无刷直流电机相关内容的研究状况 进行概括 并对人工神经网络的发展及其在电机控制领域的应用进行 介绍 最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构安排 1 1 永磁无刷直流电机的发展状况 永磁无刷直流电动机用电子换向替代了电刷和换向器 可以实现 高性能 高可靠性 高寿命 免维护的目的 是集交流电动机和直流电 动机优点于一体的新型电机 自问世以来 在世界上得到了迅速的发 展 特别在欧美一些发达国家及日本等国 永磁无刷电动机的产值每 年都以1 0 一1 5 的速度增长 直流电机具有优良的机械特性和调速性能 在运动控制领域得到 广泛的应用 但传统的直流电机存在着一个致命缺点 必须依靠机械 换向器进行电流换向 机械电刷与转子换向器之间的机械摩擦给直流 电机带来了诸如火花 噪声 电磁干扰等一系列问题 同时 直流电 机制造成本商 需要大量的日常维护 大大限制了它的应用范围1 1 4 针对传统直流电机的弊病 早在2 0 世纪3 0 年代 就有人开始研 制以电子换向来代替电刷机械换向的永磁无刷直流电机 由于当时的 大功率电子器件仅处于初级发展阶段 没有理想的电子换向元件 这 种电机只能停留在实验室研究阶段雨无法推广使用 1 9 5 5 年 美国D 哈 里森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向器换向的专 利 这就是现代永磁无刷直流电机的雏形 但该电机尚无起动转矩 还不能产品化 经过人们多年努力 借助霍尔元件来实现换向的永磁 无刷直流电机在1 9 6 2 年终于问世 开刨了永磁无刷直流电机产品化的 新纪元 1 1 2 0 世纪7 0 年代以来 随着电力电子工业的飞速发展 许多新型 的高性能半导体功率器件 如G T R M O S F E T I G B T 等相继出现 以 及高能永磁材料 如钐钴 钕铁硼等的闯世 均为永磁无刷直流电机 的广泛应用奠定了坚实的基础 随着比霍尔元件的灵敏度高千倍左右 的磁敏二极管的出现 在2 0 世纪7 0 年代初期 试制成功了借助磁敏 二极管实现换流的永磁无刷直流电机 但采用霍尔元件位置传感器的 第一章绪论 永磁无刷直流电机结构简单 适应性好 信号容易控制 因此霍尔元 件位置传感器始终是永磁无刷直流电机位鼍传感器的主流 到2 0 世纪8 0 年代 数字信号处理器 D S P 的推出 在信号处 理领域引起了巨大的革命1 5 D S P 强大的计算能力使许多控制方法得 以实现 到2 0 世纪9 0 年代 D S P 的成本不断下降以及单片机精度的 不断提高 使永磁无刷直流电机的全数字控制成为了研究的热点 这 大大提高了电机的控制精度1 6 永磁无利直流电机除了保持有刷直流电机固有的优越的起动和调 速性能外 其最大的特点是没有换向器 整流子 和电刷组成的机械 接触结构 因而具有寿命长 噪音低 电磁干扰小 运行可靠 维护 简便等一系列优点 此外 永磁无刷直流电机的转速不受机械换向的 限制 可以将它的转速做得很高 现在就已经有转速每分钟8 0 0 0 0 转的产品面世 如果采用空气轴承或磁悬浮轴承 它甚至可以在每分 钟高达几十万转的速度下运行1 2 1 而且永磁无刷直流电机由于其结构 上的特点 发热的电枢绕组通常装在外面的定孑上 这样热阻较小 散热容易 因此永磁无刷直流电机在当今生产 生活各个领域中的应 用日益普及 在国外 由于电子元件的成本较低 永磁无刷直流电机的发展极 为迅速 以每年2 0 的增长率发展 它除了在空间技术 军事及工业 控制领域广泛应用外 已经开始用于家用电器 如空调 洗衣机 风 扇等 永磁无刷直流电圳的应用 使一些电器的应用和效率的提高出 现了新的转机 在我国 永磁无刷喜流电机受国产电子元器件价格和 性能的影响 尚未形成大批量生产规模 限制了它的使用范围 随着 我国微电子技术的发展 电子元器件的成本会逐渐降低 性能进一步 提高 从而使永磁无刷直流电机在我国的开发和瘟用褥到迅猛的发展 1 2本课题的研究意义以及国内外相关研究的概况 1 2 1 本课题研究的意义 永磁无刷直流电机之所以能移同步运行且具有有捌盘流电机的良 好调速性能 是因为其逆变器功率器件的导通与关断 对应电机绕组 的导通状态 取决于电机转子的位置 因此转子位置信号是不可少的 为了获得转子位置信号 传统的永磁无刷直流电机往往采用外置式位 t 鬟 第一章缝论 置传感器进行检测 转子位置传感器有电磁式 光电式 霍尔磁敏式等多种形式 6 电磁式体积大 抗干扰能力差 目前已不多用 光电式体积较大 价 格昂贵 可靠性较差 霍尔磁敏式体积小 从霍尔元件发展到霍尔I c 可直接输出数字信号 使用比较方便 但霍尔磁敏式传感器往往存在 一定程度上的磁不敏感区 造成转子位置误差 不管采用哪种外置式传感器 还存在以下共同的缺点 2 7 d 1 为安置传感器而增大了电机体积 对于容量在数百瓦以下的永磁无 刷直流电机 传感器位置往往占了整机体积的2 0 以上 2 传感器增加了电机成本 对于容薰在数百瓦以下的小容量永磁无刷 直流电机 常用的霍尔I c 传感器的成本通常为电机本体的3 0 左 右 3 传感器的连接线太多 例如 一台三相方波电机若采用霍尔I c 作 传感器 至少需要五根连接线 若采用其它传感器时往往连接线更 多 当电机需要密封起来运行时 这些连接线都是不利因素 4 传感器的输出信号都是弱电信号 因此太多太长的连接线都容易引 入干扰 5 高温 低温 污浊空气和易腐蚀等工作环境及振动 高速运行等工 作条件 都会降低传感器的可靠性 若传感器损坏 还可能引起逆 变器等其它部件的损坏 6 传感器的安装精度直接影响到电机运行的性能 因此也相对增加了 生产工艺难度 1 7 传感器的存在使电机的运行可靠性降低 同时增加了维护的难度 综上所述 外置式转予位置传蒋器在一定程度上限制了永磁无刷 直流电机的推广应用 如果能省去位置传感器丽采用其它方法检测转 子位置 便可以克服上述缺点 必能促进永磁无刷直流电机的进一步 发展 因此 永磁无刷直流电机的无位置传感嚣控制技术成为了研究 永磁无刷直流电机控制的一项重要内容 本文在本章第二节中详细介 绍了国内外无位置传感器控制技术的研究状况 由于永磁无刷直流电机的特殊结构和特殊的运行方式 使电机不 可避免的存在转矩波动 引起转矩波动的因素主要有 1 0 1 4 1 电磁因素引起转矩波动 这种波动与电机气隙磁逶密度分布及电枢 绕组电流的波形有关 对于方波无刷直流电机来说 要达到恒定转 矩 电机气隙磁通密度应该莹梯形波分布 且其平顶部分应大于 第一章绪论 1 2 0 0 电角度 而电枢绕组电流应该为方波 但在实际电机中 由于 定于绕组有电感 在换流过程中电流不能突变 流入定子绕组的电 流不可能是方波 它只能近似地按梯形波变化 由于设计和制造方 面的原因 有可能使永磁磁场空间分布不是梯形波 或者波顶宽度 不足1 2 0 0 电角度 或者由于转于位置检测器和控制系统的误差 所 有这些造成电流与电势波形不能保持严格同步的因素 都会产生转 矩脉动 2 电流换相引起转矩波动 无刷直流电动机工作时 定子绕组根据转 子位置传感器的检测信号按一定顺序换流 由于各相绕组存在电 感 阻碍电流的瞬时变化 电机中的电流从一相切换到另一相时将 产生转矩脉动 这就是换相转矩波动 1 3 1 3 电枢反应引起转矩波动 电枢反应对转矩的影响主要反应在 一是 电枢反应使气隙磁场发生畸变 改变了转子永磁体在空载时的方波 气隙磁感应强度分布波形 使气隙磁场的前极尖部分被加强 后极 尖部分被削弱 畸变的磁场与定子通电相绕组相互作用 使电磁转 矩随定 转予相对位置的变化而脉动 二是在任一磁状态内 相对 静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用丽产生 的电磁转矩因转予位置的不同而发生变化 从而产生转矩脉动 4 齿槽结构引起转矩波动 定予铁心齿槽的存在 使褥电机旋转过程 中 磁路磁阻发生变化而引起转短波动 5 工艺引起转矩波动 如制造电机所用材料不一致 转子的偏心 各 相绕组的不对称分布等都将引起转矩波动 以上各种因素的存在 使转矩波动成为永磁无刷直流电机的 个 很重要的性能指标 制约着永磁无刷直流电机在对转矩要求较高的伺 服系统中的应用 尤其是在低速场合 转矩脉动影晌受为突出 所以 如何消除或削弱永磁无刷直流电动机的转矩渡动一直是永磁无刷直流 电机控制的熏要内容 在本章的第二节中 详缎介绍了目前国内外对 抑制转矩波动的研究状况 目前国内外对永磁无刷直流电机的无位置传感嚣控制技术和速度 控制方法的研究大多都在假定电机参数精确已知的前提下 然而由于 环境的不确定性 许多电机参数并不能精确预期 因此有些方法在实 际应用中并没有取得预期的效果 1 5 而且大多数研究都集中在研究无 位置传感器控制或者转矩波动的抑制上 至于无位置传感器控制下的 无刷直流电机转矩波动的研究却非常少见 本文采用人工神经网络 第一章绪论 对无位置传感器控制技术和在无位置传感器控制策略下的转矩波动进 行的分析和探讨 提出了基于神经网络的无位置传感器控制以及在无 位置传感器控制下永磁无刷直流电机转矩波动抑制策略 本课题研究 出的成果 采用转子位置间接检测的原理 省去了转子位置传感器 使电机的结构更加简单 扩大了无刷直流电机的应用范围 同时 对 在无位置传感器控制下的无刷直流电机转矩波动进行分析和抑制 提 高了无刷直流电机的转矩特性 为其在高性能伺服系统中的应用打下 了坚实的基础 1 2 2 无位置传感器控制技术研究现状 无刷直流电机的顺利换相以及正常的自同步运行 需要准确的转 子位置信息 传统的永磁无刷直流电机通过外量的位置传感器来检测 电机转子的位置 但是由上面的分析可知 位置传感器的存在会给电 机带来诸多的不利因素 早在1 9 6 8 年 德国的W M i e s l i n g e r 就提出采用电容移相实现换 流的方法 这就是最早提出的间接位置检测的概念 在此基础上 1 9 7 6 年德国的R H a n i t s c h 等人试制成功借助数字式环形分配器和过零点鉴 别器的组合来实现换流永磁无刷直流电机 去掉了位置传感器 到1 9 7 9 年 H W r i g h t 发表了一篇关于 无位置传感器直流电机电子换向的方 法和参数 的文章 进一步完善了该方法 到1 9 8 0 年 H L e h u y 等人 提出利用转子旋转时定子绕组中感应电动势进行位置检测 这就是所 谓的 反电势法 反电势法原理简单实用 效果比较好 在随后的 几年中 很多研究都基于这种方法 特别是在1 9 8 5 年 K L i z u k a 等人 把微机用于无刷直流电动机无位置传感器控制 l 叭 不仅把 反电势 法 软 硬件作了补充 而且把无刷直流电动机的控制提高到一个新 的领域 在那段时期 还有人提出用 端电压法 间接捡测转子的位 置 这实际上是 反电势法 的一种变化形式 它只是检测各相端电 压 通过端电压的变化得到转子的位置 而端电压的变化实际还是绕 组中反电势随转子位置的变化的反映 不过 端电压法 进一步简化 了接口电路 使反电势法更加实用1 2 在2 0 世纪8 0 年代末 间接转予位置检测方法进入一个多元化时 期 在1 9 8 9 年 有人提出用相电流来检测转子的位置 l 因为相电流 与定子磁链在同一相位 相电流的变化准确地反映了转子的位置 在 1 9 9 0 年 S O g a s a w a r a 提出了一种巧妙的方法 续流二极管法 1 8 第一章绪论 通过检测反向并联在驱动三极管上的二极管的导通状态来得出转子的 位置 续流二极管法的基本原理还是反电势法 但它是从电流角度来 考虑反电势的 而且设计巧妙 在1 9 9 2 年 有人提出了根据电流和电 压的瞬时方程来检测转予位置的方法 1 9 1 这两种方法的提出 使人们 开始真正从本质上认识转子的位置变化 得出的是转子的连续位置信 号 同年 提出了计算电动机绕组的电感瞬时变化来检测转子位置的 方法 这种方法得出的信号也是连续的转子位置信号 在1 9 9 4 年 提 出了基于定子磁链估计的检测方法1 2 1 1 通过相电压 线电流信号计算 出定子绕组各相的磁链 再根据磁链得到转子位置信号 此方法虽然 计算稍复杂 但是误差小 调速范围广 适用于正弦波和方波电机 是一种较理想的检测方法 在国外已经开始应用于生产实践中 还有人提出利用了状态观察器法和卡尔曼滤波法来检测转子的位 置1 2 0 1 但是这两种方法都需要大量的计算 当时并没有引起人们的重 视 直到近几年随着单片机性能的提高及D S P 产品的更薪换代 这两 种方法逐渐得到了应用 在最近几年 有人提出从转子结构或定予结构上作一些改动 如 在转予表面安装一些非磁性材料 通过检测该材料中涡流而造成的断 开相电压改变来获得转子位置信号的方法1 2 扪 还有人提出一种新的检 测思路 即采用智能控制理论 这种方法通过自适应技术 模糊控制 策略或者神经网络控制镱略来建立被测相的电压 电流和转子位置的 相互关系 此种控制方法不需要精确的数学模型 播脱了龟机运彳亍过 程中的非线性和参数的不确定性 控制精度离 但是 这种方法还处 在研究起始阶段 大部分研究只限于仿真阶段 实际应用却不多见1 2 3 国内对无位暨传感器无刷直流电动机的间接转予位置检测方法的 研究起步稍晚 而且大部分是对反电势法的研究 浙江大学的单政强 钱元成等人开发的无位置传感器稀土片状无刷电动机 实质都是通过 对电机反电势的检测得到转子的位置信号t 2 l t 7 1 1 9 1 三段式 控制方法 也是基于反电势法基础之上的 2 丽且发展已经较为成熟 三段式 控制方法是指从电机起动到稳定运行可分为三个阶段来控制 分别为 转子定位 加速和切换 其它方法的研究和应用运能较少见 在很多 领域还是一片空自 总而言之 从闻接转予位置检测方法的研究历史和现状来说 每 种方法都有其优缺点本文第二章中对几种常见的方法作详细介绍 第一章绪论 1 2 3 转矩波动研究状况 抑制转矩波动一直是永磁无刷直流电机控制的重要内容 针对不 同的原因 许多学者作了大量的研究工作 1 0 1 4 儿2 7 1 文献 2 3 详细分 析了方波永磁无刷直流电机转矩产生的原理 提出转矩波动存在的必 然性 对于齿槽转矩产生和削弱方法 有人提出采用定子斜槽的方法 取得较好的效果f 6 对于换相转矩波动 文献 1 2 从三个不同的状态作 了详细的分析 指出换相转矩波动与反电势和电源电压以及转速之间 的关系 但是最后没有提供实际的解决方法 文献 2 4 提出采用重叠换 相的方法 即针对换相时总电流下降的现状 采用提前导通待换相绕 组的方法 在换相的开始时刻可能三相同时导逯 从而保证回路中总 电流的幅值不变 这种方法控制精度较低 需要寻找最佳换相角 文 献 2 5 2 6 对电机的相电压和相电流进行F o u r i e r 级数分解 推导出的 转矩结果也具有基波和多次谐波 针对转矩谐波通过调节绕组的导通 相位作相应的补偿 达到消除谐波转矩的目的 这种方法虽然计算量 比较大 但是控制精度较高 文献 2 4 提出一种较独特的方法 把电机 的端电压在同一导通时间内分解成三段 通过调节各小段的导通相位 和时间 使之产生的谐波恰好和转矩高次谐波抵消 其效果比较理想 国内也有许多学者对永磁无刷直流电机的转矩波动作了研究 张 一鸣对电枢反应引起的转矩波动作了分析 并在设计磁路和换相控制 两个方面提出了削弱电枢反应对转矩波动的影响 2 8 l 张志忠提出利用 转矩观测器间接转矩反馈方法1 2 9 1 利用反电势 相电流 电机转速作 为输入信号 波动转矩作为输出信号构成波动转矩观测器 实时在线 估计转矩的大小变化 针对不同的情况作相应的补偿 这种方法虽然 复杂 但完全能在线控制转矩 对各种转矩都有抑制作用 且不需要 直接测量电机输出的瞬时转矩 总而言之 引起无劂直流电机转矩波动的因素很复杂 针对不同 的情况可采用相应的控制方法 各种方法都有自己的优缺点和适应的 场合 针对不同的要求和在不同环境下 可以采用不同的方法 第一章绪论 1 3 人工神经网络控制的介绍 1 3 1 人工神经网络的发展与应用 近年来 人工神经网络以其独特的优点引起了人们极大地关注 3 1 其基本思想是从仿生学的角度对人脑的神经系统进行模拟 使机器具 有人脑那样的感知 学习和推理等智能行为 对于控制界 神经网络 的吸引力在于 3 4 1 能够充分逼近任意复杂的非线性关系 2 能够 学习与适应严重不确定系统的动态特性 3 所有定量或者定性的信息 都等势分布储存于网络内的各个神经元 因此具有很强的鲁棒性和容 错性 4 采用并行分布处理方法 使得快速进行大量运算成为可能 这些特点显示了人工神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统 控制问题的巨大潜力 可以断定 把神经网络引入控制系统是控制科 学发展的必然趋势 人工神经网络的研究已有较长的历史 最早的研究成果是在四十 年代心理学家M c C u l l o c h 和数学家P i t t s 合作提出的兴奋与抑制型神经 元模型和H c b b 提出的神经元连接强度的修改搜则 这些成果至今仍是 许多神经网络模型研究的基础 五六十年代的代表性工作是R o s e n b l a t t 的感知机和W i d r o w 的自适应线性元件A d a l i n e 1 9 6 9 年M i n s k y 和 P a p c r t 合作发表了颇具影响的 P e r c e p t r o n 一书 得出了消极悲观的 论点 加上数字计算机处于全盛时期 并在人工智能领域取得显著成 就 这样 七十年代人工神经网络的研究处于低潮 迸入八十年代后 传统的V o nN e u m a n n 数字计算机在模拟视听觉的人工智能方面遇到了 物理上不可逾越的极限 与此同时 R u m e l h a r t 与M c C l e l l a n d 以及 H o p f i e l d 等人在神经鼹络领域取得了突破性进展 神经网络的热潮再 次掀起 目前在研究方法上已经形成多个流派 在一魃科学研究和实 际工程领域中 已显示了很大的威力 从8 0 年代初神经网络的研究再 次复苏并形成热点以来 发展非常迅速 理论上对它的诗算能力 任 意连续映射的逼近能力 学习理论以及动态网络的稳定性分析上都取 得了丰硕的成果 特别是在应用上已迅速扩展垂8 许多重要领域 根据 一些文献的介绍 列出了以下一些主要领域的应用情况D o 1 模式识别与图像处理 包括印刷体和手写体字符识别 语音识别 签字识别 指纹与人脸识别 R N A 与D N A 序列分析 癌细胞识别 目标检测与识别 心电图和脑电图分类 油气藏检测 加速器故障 瀛 第一章绪论 检测 电机故障检测 图像压缩和复原等 2 控制及优化 包括化工过程控制 机械手运动控制 运载体轨迹控 制 电弧炉控制 3 金融预测 包括股票市场预测 有价证券管理 借贷风险分析 信 用卡欺骗检测 4 通信 包括自适应均衡 回声抵消 路由选择 A T M 网络中呼叫 接纳识别及控制 导航 多媒体处理系统 1 3 2 人工神经网络在电机控制中的应用 随着电机在伺服系统中的曰益广泛应用 人们对电机的控制精度 要求越来越高 传统的速度控制器是采用比例积分器 P I 或比例积 分微分器 P I D 被广泛应用于直流和交流电机的转速控制系统中 然而当实际系统模型未知的情况下 这些控制器的设计变得十分困难 口4 1 而且由于负载大小的不可预知性及环境参数的变化 如温度 湿 度 振荡和饱和程度等 的影响 使这犊控制器的实际性能大大降低 3 5 l 因此人们开始采用一些自适应控制方法来设计带有未知参数的电机控 制系统 如模型参考自适应控制 M R A C 滑模控制 S M C 变结 构控制 自校正调节器等 但这些控制方法必须建立在系统模型参数 之上 而电机运行过程中的非线性与参数的不确定性致使无法获得精 确的数学模型 导致控制方法的失败 随着人工神经网络理论的不断成熟 人钔开始在系统建模和系统 控制中采用神经网络控制方法 34 4 2 1 人工神经网络具有许多优点 如 并行和分布式处理 能对未知模型在输入和输出之间建立精确的非线 性映射 因此在包括B L D C M 的高性能驱动系统中 人工神经网络在 系统识别和速度控制中发挥着重要作用 国内也有许多学者对神经网络技术在电机控制中的应用作了研 究 文献 3 7 采用B P 嗣络和遗传算法对无刷直流电机反电势进行预测 取得了一定效果 文献 3 s 采用H o p f i e l d 网络对异步电机传动系统的 参数迸行辨识 取得较高的精度 总之 人工神经网络具有许多优点 用于电机控制中可以取得很 高的精度 目前国内外大量的应用主要集中于对电机的转速和位置控 制 而用人工神经网络实现永磁无刷直流电机的无位鼍传感器控制技 术和实现转矩波动抑制技术这两个方面都基本上是空白 将神经网络 同时实现无位置传感器控制与转矩波动抑制的研究成果更是非常少 摩 第一章绪论 见 因此本课题的研究内容将具有较高的理论价值 1 4 本文研究的内容及结构安排 目前国内外对永磁无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究大 都在假定电机参数精确已知的前提下 然而电机运行过程中的非线性 和参数的不稳定性都导致了获得电机精确参数的不可能性 为了解决 如上困难 越来越多的学者将目光转向人工神经网络 利用神经网络 的自学习能力实现无刷直流电机参数的在线辨识 现在多用的是前向 误差反传 B a c k P r o p a g a t i o n 神经网络 本文在总结无刷直流电机无位置传感器控制策略的基础上 利用 自适应径向基函数神经网络对转子位置进行在线估计 并根据换相逻 辑控制逆变器功率开关 以实现无剧直流电机的准确挟相和快速动态 响应 解决了径向基函数神经网络作为自适应控制器时 由于隐层单 元初始值选择不合适而导致网络收敛速度慢或者不收敛的可能 同时 径向基函数神经网络收敛速度快 避免了局部檄小值情况的出现 该 算法为无刷直流电机的无位置传感器控制提供了一条新思路 另外 对电机在无位置传感器控制下的转短波动进行深入研究 并构造了第 二个神经网络实现对电流豹估计 产生参考电流 通过对鬼机绕组的 实际电流进行调节来减少转矩波动 提高电机的性能 最后用数字信 号处理器实现了无位置传感器控制 因此 本课题无论在理论研究还 是产品化方面都有重要意义 本文结构安排如下 第二章介绍了永磁无刷直流电枧结构与原理 给出其数学模型 在此基础上推导出转子位置间接检溯的基本原理 零章译绷介绍了无 刷直流电机的结构组成 并以三相桥式y 接的电机为例 说明无刷直 流电机基本运行原理 在电机数学模型的基础上推导出无刷直流电机 转子位鬣间接检测的基本原理 比较几种常见的无刷童流电机无位置 传感器控制算法 第三章介绍了基于自适应径阿蓉靖数神经网络龄燹掰童流电机直 接电流控制 首先对径向蒸函数神经网络的绣枸7 原理进行阐述 并 将其与常用的误差反传网络相比较 绘出网络离线训练算法 并通过 离线训练得到网络隐层单元的个数和位置 构造出一个结构简单紧凑 的径向基函数神经网络实现无刷直流电机的无位置传感器控制 箍翻蛹 第一章绪论 第四章研究了在无位置传感器控制下的转矩波动情况 构造了第 二个径向基函数神经网络实现电流的在线估计 并调节无刷直流电机 逆变器开关的导通占空比 完善不理想的电流波形 有力减少了转矩 波动 提高电机性能 本章详细介绍了电流估计原理 并按照上一章 提供的自适应算法对径向基函数进行训练 保证网络结构的简单紧凑 以最少的隐层单元实现非线性映射 第五章是实验部分 首先介绍了T I 公司一种功能强大的数字信号 处理器T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 并给出无刷直流电机无位置传感器控制的硬 件组成与软件流图 最后对实验结果进行分析 第六章为结论部分 对本课题的研究成果进行总结 奎 第二章无刷直流电机基本原理及其无位置传感器控制技术 第二章无刷直流电机基本原理及其 无位置传感器控制技术 本章详细介绍了无刷直流电机的组成 工作原理与换流过程 在 此基础上说明了其转子位置间接检测的理论基础 并着重介绍了近几 年来常见的无刷直流电机无位置传感器控制技术 2 1 无刷直流电机结构与原理 2 1 1 无刷直流电机的组成 无刷直流电机属于高科技机电一体化产品 主要由以下三大部分 组成 一 电机本体 无刷直流电机的电机本体采用同步机的形式 只是没有起动装置 与阻尼装置 可以分为定子和转子两部分 其中电枢绕组安放在定子 上 一般可以绕制成单相或者多相 Y 形或者三角形联接 转子由一 定极对数的永磁体镶嵌在铁心表面 即凸极 或者堙入铁心内部 即 隐极 构成 无刷直流电机系统中电机本体的作用是完成能量转换 将电能转 换成机械能以带动负载 因此 必须满足一定的电磁关系 即转子永 磁体必须能够在工作气隙中产生足够的磁通来交链电枢绕组 同时定 子电枢绕组必须能够通过足够的电流 在转予磁场和定予磁场的相互 作用下产生一定的电磁转矩来驱动负载 另外 还要保证机械结构的 牢固和稳定 二 位置传感器 无刷直流电机要想在没有机械电刷的情况下实现自同步运行 正 确的转予位置信号是保证电机正鬻运行的关键 传统的无刷喜流电机 采用外置的位置传感器对转予位置进行检测 常见的位鼙传感器有接 近式 谐振式 耦台式和敏感式几种 其中搬攒嚣承效应制成的霍尔 位置传感器因为价格低廉 应用最为广泛 三 电子换向电路 电子换向电路是无刷直流电机实现电子换向的重要组成部分 一 般可以分为桥式或者非桥式两种 其作用是用来控制电机各相绕组通 第二章无刷直流电机基本原理及其无位置传感器控制技术 电的时间和顺序 主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单 元两个部分组成 功率逻辑开关单元是控制电路的核心组成部分 其 功能是将电源的功率按照一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上 的各相绕组 使电机能够产生持续的转矩 各相绕组导通时间和顺序 主要取决于来自位置传感器的转子位置信号 但是位置传感器所产生 的信号一般不能直接用来控制逻辑开关单元 往往需要经过一定的逻 辑处理之后才能去控制逻辑开关单元 综上所述 组成无刷直流电机 的各主要 图2 1 永磁无刷直流电机的组成框图 2 1 2 无刷直流电机的基本原理 就其基本结构而言 无刷喜流电机可以认为是一台由电子开关线 路 永磁式间步电机以及位置传感器三者组成的 无刷直流电机系统 其原理 图2 2 无嗣童流电机的魇理框圈 当无刷直流电机的定子绕组某一相通电 j 尊 该电流与转子永磁磁 极所产生的磁场相互作用产生转矩 驱动转子旋转 再由位置传感器 将转子位置信息变换成电信号 经过电子开关线路的位置信号处理单 元进行逻辑处理形成功率开关器件的导通逻辑信号 按照一定的顺序 与时间分别导通不同的功率开关 从而使定子各相绕组按照一定的顺 囊拳 第二章无刷直流电机基本原理及其无位置传感器控制技术 序导通 保证定子相电流随着转子的位置变化而按一定周期换相 由 于电子开关线路的导通顺序是与转子转角同步的 因而也起到了直流 电机机械换向器的换相作用 实现了无刷直流电机自同步正常运行 这就是无刷直流电机的基本工作原理 下面将以三相全桥式Y 联接无刷直流电机为例介绍无刷直流电机 具体的换相过程 2 1 3 无刷直流电机的换流过程分析 全桥式无刷直流电机具有出力大 效率高 转矩波动小的特点 本课题采用的样机即为此种电机 下面就以此样机为例 说明无刷直 流电机的具体换流过程 三相全桥式Y 联接无刷直流电机结构如图2 3 所示 其中P S 为与 电机本体同轴连接转子位置传感器 图2 3 无删喜流电机结构圈 三相全桥式无刷宜流电机采用三相六状态导通方式 即每一时刻 都有两相导通 第三相悬空 各相的导通顺序与时间由转子位是传感 器获得的转予位置信号决定 当转予永磁体位于图2 4 a 所示位餮时 转子位置传感器输出磁极位置信号 经过控制魍路逻辑变换后驱动逆 变器 使功率开关管V 1 V 4 导通 即绕组A B 通电 A 进B 出 电枢绕组在空间的合成磁势只 如图2 4 a 所示 此时定转子磁场相互 作用拖动转子顺时针方向转动 电流流通路径为 电源正极一V l 管一 A 相绕组一B 相绕组一V 4 管一电源负极 当转子转过6 0 0 电角度 到 第二章无刷直流电机基本原理及其无位置传感器控制技术 达图2 4 b 中位置时 位置传感器输出信号 经逻辑变换后使开关 管V 4 截止 V 6 导通 此时V 1 仍导通 则绕组A C 通电 A 进C 出 电枢绕组在空间合成磁场如图2 4 b 中所示 此时定转子磁场相互 作用使转子继续沿顺时针方向转动 电流流通路径为 电源正极一v 1 管一A 相绕组一C 相绕组一V 6 管一电源负极 依此类推 当转子继续 沿顺时针每转过6 0 0 电角度时 功率开关管的导通逻辑顺序为V 3V 6 一v 3V 2 一V 5V 2 一V 5V 4 一V 1V 4 则转子磁场始终受到定子合成 磁场的作用并沿顺时针方向连续转动 从图2 4 a 到 b 的6 0 0 电角范围内 转子磁场顺时针连续转动 而 定子合成磁场在空间上保持在图2 4 a 中C 的位置不动 只有当转子磁 场转够6 0 0 电角度到达图2 4 b 中兄的位置时 定子合成磁场才从图 a 中F位置顺时针跃变至 b 中瓦位置 可见定予合成磁场在空司不是连 续旋转的磁场 而是一种阶跃式旋转磁场 每个步进角是6 0 0 电角度 转子每转过6 0 0 电角度时 逆变器开关管之间就进行一次换流 定子磁 状态就相应改变一次 由此可见 电机有6 个磁状态 每一状态都是 两相导通 每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 0 电角度 这就是无刷直流电机的换流原理 r d 圈2 4 转予运动图 2 2 间接位置检测原理1 8 b 以三相桥式Y 接无刷直流电机为例 电机的电压平衡方程为 羔兰型宴鎏皇塑茎查垦望墨基垂垡蔓堡堕墅塑型垫查 i 蓍昙量 f i i l c L M 鲁 i 言 叠 o 三 2 i 3 1 c z t 糕颡汁 R00 ORO OOR m 一啪非 L l 2 2 由于电阻和电感是电机的固有参数 认为是可预知的 由式 2 2 可知 若连续得至 某时刻的电流电压值则可得到三相的k 值 由k 就可得知口的范围 即转子的位鼍 目前大部分阉接位鬣检测方法均 是基于此原理之上 J 由以上分析可知 要知道电机转予的位置 需要知道电流电压与 磁极磁链的关系以及磁极磁链与转子位置之间的关系 在不同的场合 可通过不同的方法实现上面两层映射关系 反电势法是根据转予在不 同的位置 电枢绕组中的反电动势不同 通过得剩特臻点的反电动势 从而推出转子的位置 电感法是根据转子在不同位置时对电机电枢电 感有影响 通过检测电流得到电感的变化从而得劂转予位置 续流二 极管法是通过检测来导通相的二极管续流情况来确定转予位置 磁链 法是通过电压电流值计算得到磁链的值 从两推出转予的位置 2 3 几种常见的无位置传感器控镧技术 8 I 2 3 1 反电势法 无刷直流电机运行时 定子绕组感生的反电势波形取决于气隙磁 密的空间分布 当电机空载时 气隙磁场即为转子永磁体励磁 当电 机加负载时 气隙磁场还受到电枢反应磁势的影响 但对于永磁无刷 熊 第二章无刷直流电机基本原理及其无位置传感器控制技术 直流电机而言 由于永磁体励磁比电枢反应大得多 因而电枢反应磁 势基本可以忽略 因此在不考虑电枢反应影响的前提下 当转子直轴 与某相绕组轴线重合时 该