基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SVPWM控制系統(tǒng)仿真研究

呂宏麗，葉 雙

（唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山 063000）

脈寬調(diào)制PWM（Pulse-Width Modulation）是交流傳動的技術(shù)支柱之一。電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（Space-Vector Pulse-Width Modulation）著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。由于該控制方法把逆變器和電機(jī)看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于微處理器實時控制，同時具有轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)[1]。

在實際應(yīng)用中，SVPWM 控制信號的獲得需要進(jìn)行大量的三角函數(shù)運(yùn)算，這些大量的運(yùn)算可導(dǎo)致控制系統(tǒng)實時性變差。通過構(gòu)造合理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效逼近任意非線性函數(shù)，從而可避免大量的計算[2]。

1 SVPWM控制原理

圖1 三相逆變器電路原理圖

如圖1所示，在三相電壓型逆變器中，3個橋臂由6個開關(guān)器件構(gòu)成。6個開關(guān)器件共有8種開關(guān)狀態(tài)（同一個橋臂的上下半橋的信號相反，“1”代表上橋臂導(dǎo)通，“0”代表下橋臂導(dǎo)通）。將三相正弦電壓在一個工作周期內(nèi)按每60°劃分為1個扇區(qū)，則360°的電壓空間共分為6個扇區(qū)，利用8種開關(guān)矢量，可以合成360°內(nèi)的任何電壓矢量。扇區(qū)劃分和SVPWM控制波形如圖2所示。

PWM 波形的獲得通常由調(diào)制波和三角載波的交點(diǎn)間大小來決定。調(diào)制波信號函數(shù)如表1所示[3]。

圖2 扇區(qū)劃分及SVPWM波形

表1 三相調(diào)制波函數(shù)

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)功能。其中應(yīng)用較為廣泛的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是基于誤差反向傳播算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)計模型如圖3所示。

輸入信號為電壓參考矢量的位置角θ，輸出信號為SVPWM的三相調(diào)制信號波函數(shù)。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程找到按照表1找到位置角θ與三相調(diào)制信號之間的非線性映射關(guān)系。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

隱含層神經(jīng)元數(shù)目的選擇是一個十分復(fù)雜的問題，通常按照經(jīng)驗公式獲得[4]：

其中m為輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，n為輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，t一般取1～10，因此本系統(tǒng)模型隱含層節(jié)點(diǎn)范圍為3～12。

根據(jù)表1，θ從π2～0每隔π01.0取一個樣本數(shù)據(jù)，一共取201組數(shù)據(jù)組成測試樣本。在訓(xùn)練過程中最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為 1 500次，訓(xùn)練目標(biāo)誤差為 0.002 8，學(xué)習(xí)速率為0.01，依次采用不同的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)隱含層為10時訓(xùn)練次數(shù)最少，訓(xùn)練曲線如圖4所示。

調(diào)用 gensim(net, -1)函數(shù)，把 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成一個Simulink模塊，其輸出為SVPWM的三相調(diào)制信號波函數(shù)，在本設(shè)計中調(diào)制系數(shù)取0.95，用SVPWM三相調(diào)制波與調(diào)制系數(shù)相乘，再與三角載波配合，最終得到SVPWM的波形。其模型發(fā)生模塊如圖5所示。

圖4 隱含層為10時的訓(xùn)練曲線

圖5 SVPWM產(chǎn)生模塊

3 電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真應(yīng)用

通過 Simulink模塊搭建交流異步電動機(jī)控制系統(tǒng)模型，設(shè)置其逆變器直流電壓為400 V，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為12 N·m，其具體的電機(jī)參數(shù)為[5]：PN=2.2 KW，UN=380 V，nN=1 423 r/min，RS=3.478 ?, LS=0.012 5 H，Rr=2.546 ?，Lm=0.012 26 H，p=2，J=0.013 1 kg·m2。

系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。

圖6 電機(jī)仿真模塊

圖7 定子電流波形圖

圖8 定子磁鏈波形圖

圖9 電磁轉(zhuǎn)矩波形圖

圖7 為系統(tǒng)定子電流波形，圖8為定子磁鏈波形（其中，X軸表示定子磁鏈的d軸分量，Y軸表示定子磁鏈的q軸分量），圖9為電磁轉(zhuǎn)矩波形。圖7、圖8及圖9表明在本次設(shè)計中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的SVPWM對電機(jī)控制具有可行性。

4 結(jié)論

設(shè)計中基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生SVPWM控制的三相調(diào)制波，仿真研究中定子電流輸出波形為正弦波，且經(jīng)過很短的時間就可以很穩(wěn)定的輸出，定子磁鏈為圓形的近似度高，達(dá)到SVPWM控制交流電動機(jī)的本質(zhì)要求。

[1] 吳守葴,臧英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:168-183

[2] 蔡寶平,劉永紅,張海峰,等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) SVPWM技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2010,22(1):43-47.

[3] 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)—運(yùn)動控制系統(tǒng)(第4版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:133-143

[4] 哈根.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:325-340

[5] 林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的 MATLAB 仿真[M].北京:中國電力出版社,2009:222-224.