基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的五相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究

胡春龍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)與其他電機(jī)相比較，最大的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)上的雙凸極形式，結(jié)構(gòu)的簡單導(dǎo)致控制上經(jīng)常會出現(xiàn)不穩(wěn)定。從工作原理上分析，開關(guān)磁阻電機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行原理有一定的相似性，但實(shí)際工作過程又不同于步進(jìn)電機(jī)，它是特種電機(jī)的一類，歸屬為磁阻式電動機(jī)。這種磁阻式局限了它的運(yùn)行場合，這也是大多數(shù)交直流電動機(jī)與其不同之處所在。開關(guān)磁阻電機(jī)主要應(yīng)用在一些要求較特殊的場合，如煤礦開采、油田開發(fā)等領(lǐng)域。這種特殊的應(yīng)用程度是其他電機(jī)無法替換的，所以開展開關(guān)磁阻電機(jī)的控制研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

文中以五相開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對象，利用其多相數(shù)、小步距角等特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上減小了電機(jī)運(yùn)行過程產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法，通過對轉(zhuǎn)矩的直接控制，得到定子磁鏈在不同空間區(qū)域的電壓矢量，建立了電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制所需的開關(guān)表。以速度為外環(huán)，磁鏈和轉(zhuǎn)矩為內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機(jī)三閉環(huán)調(diào)速控制，從控制方法上解決了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的波動問題。在控制算法上引入了PID與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID(BP-PID)，利用PID對參數(shù)的快速整定和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，減小電機(jī)啟動過程產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流，優(yōu)化了磁場波動，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，縮短了轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間。

1 五相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

1.1 磁鏈與轉(zhuǎn)矩的變化特性

五相開關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組結(jié)構(gòu)與工作方式相同，且每相繞組均獨(dú)立工作，根據(jù)電路基本定則，回路中的各相繞組電壓方程可表示為

(1)

U為定子相電壓；R為定子相電阻；i為定子相電流；ψ(θ，i)為定子相磁鏈；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

由式(1)可得定子磁鏈的微分為

dψ(θ,i)=(U-Ri)dt

(2)

一般情況下，定子中的繞組電阻都比較小，可忽略，且在較短時(shí)間時(shí)式(2)可近似表示為

Δψ(θ,i)≈UΔt

(3)

由式(3)可得出，在定子繞組施加的電壓和電壓作用的時(shí)間直接影響著定子繞組磁鏈的變化。電壓作用的矢量方向和磁鏈變化的矢量方向是一致的，從空間上看，定子磁鏈的指向是沿著電壓空間矢量的方向變化的，如圖1所示。

圖1 磁鏈變化矢量

要想得到五相開關(guān)磁阻電機(jī)的合成磁鏈，就要用到坐標(biāo)變換讓五相定子磁鏈投影到兩相靜止的直角坐標(biāo)系α-β中，如圖2所示為定子磁鏈5-2坐標(biāo)變換矢量圖。

圖2 定子磁鏈變換矢量圖

由圖2可以計(jì)算出α-β坐標(biāo)系下的磁鏈為:

ψα=ψA+ψBcos72°+ψEcos72°-

ψCcos36°-ψDcos36°

(4)

ψβ=ψBcos18°+ψCcos54°-ψDcos54°-ψEcos18°

(5)

(6)

ψA～ψE為五相定子各相磁鏈?zhǔn)噶浚沪譻為五相合成定子磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

由以上分析可知，通過選擇合適的電壓空間矢量可以使控制磁鏈基本不變，但直接轉(zhuǎn)矩控制的核心是控制轉(zhuǎn)矩，那么就要分析轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律受哪些參數(shù)影響。下面從轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)，分析轉(zhuǎn)矩的影響量。

2.堅(jiān)持統(tǒng)籌兼顧，處理好量化評價(jià)“四個(gè)關(guān)系”。一是“硬件”與“軟件”的關(guān)系。職稱評審中，學(xué)歷資歷是硬杠杠，評價(jià)內(nèi)容具體客觀、操作性強(qiáng)，一般掌握得比較嚴(yán)格。相比之下，能力業(yè)績是軟指標(biāo)，準(zhǔn)確評價(jià)有一定的難度，且操作彈性較大，導(dǎo)致評價(jià)容易出現(xiàn)“兩硬、兩軟”現(xiàn)象。為使學(xué)歷資歷和業(yè)績能力都硬起來，堅(jiān)決克服論資排輩、求全責(zé)備的思想，堅(jiān)持職稱評審“三看法”，既看學(xué)歷資歷年限，更看工作能力水平；既看成果“本本”，更看業(yè)績貢獻(xiàn)；既看缺點(diǎn)和不足，更看優(yōu)勢和潛力，全方位、多角度去衡量評價(jià)每一名專業(yè)技術(shù)人員，形成重業(yè)績、重能力的選拔導(dǎo)向。

式(1)中，若不考慮繞組內(nèi)阻，則電源輸入的有功功率可表示為

(7)

通常情況下，在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)磁阻電機(jī)的相電流波形變化基本一致，而且常工作在磁飽和狀態(tài)下，故轉(zhuǎn)子位置角的變化將無法直接影響磁場的儲能狀況。這樣電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩又可以寫為

(8)

1.2 電壓空間矢量確定與選擇

文中所選五相開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器為不對稱半橋式結(jié)構(gòu)，變換器的每一種開關(guān)狀態(tài)分別對應(yīng)著相繞組不同的電平狀態(tài)。圖3所示為A相繞組在不同開關(guān)狀態(tài)下的3種電壓狀態(tài)，這樣每相繞組在同一時(shí)刻共有3種電壓選擇，分別為1、0、-1。圖3中虛線標(biāo)注的箭頭方向?yàn)槔@組電流方向，電壓方向規(guī)定為左正右負(fù)[3]。

圖3 A相繞組電壓狀態(tài)

五相開關(guān)磁阻電機(jī)的五相繞組對應(yīng)的5個(gè)電壓狀態(tài)就構(gòu)成了1個(gè)有效電壓空間矢量，在考慮到功率管開關(guān)頻率及電機(jī)有效運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，應(yīng)對部分電壓空間矢量進(jìn)行取舍，先構(gòu)造出5個(gè)基矢量，再對基矢量進(jìn)行取反，最終得到空間對稱的10個(gè)電壓空間矢量。

由前文分析可知，磁鏈與轉(zhuǎn)矩的變化均可通過選擇不同的電壓空間矢量施加控制，而磁鏈與轉(zhuǎn)矩共有4種變化組合，分別為T↓Ψ↓、T↓Ψ↑、T↑Ψ↓、T↑Ψ↑。針對這4種組合，分別選擇一組最佳的電壓空間矢量，即可讓磁鏈和轉(zhuǎn)矩按要求變化。

設(shè)電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶吭谀骋粫r(shí)刻按照逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到了N1區(qū)域，則定子磁鏈沿不同電壓空間矢量作用時(shí)的變化如圖4所示。

圖4 電壓矢量作用示意圖

由圖4結(jié)合式(3)、式(8)可知，能使磁鏈按增大方向作用的電壓矢量有u1、u2、u3、u9、u10，能使磁鏈按減小方向作用的電壓矢量有u4、u5、u1、u7、u8，能使轉(zhuǎn)矩按增大方向作用的電壓矢量有u2、u3、u4、u5，能使轉(zhuǎn)矩按減小方向作用的電壓矢量有u7、u8、u9、u10。而為了減小電機(jī)運(yùn)行過程中的電流沖擊，將導(dǎo)致磁鏈變化過大的一些電壓矢量舍去，得到如表1所示的五相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表。

表1 五相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表

2 BP-PID與PI復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

2.1 BP-PID控制系統(tǒng)

用于PID控制系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般采用如圖5所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有n個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，r個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)，3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。輸入節(jié)點(diǎn)對應(yīng)所選的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)量，輸出節(jié)點(diǎn)分別對應(yīng)PID控制器的3個(gè)可調(diào)參數(shù)KP、KI、KD。由于KP、KI、KD不能為負(fù)值，所以輸出層神經(jīng)元的轉(zhuǎn)換函數(shù)取非負(fù)的S型函數(shù)，而隱含層神經(jīng)元的轉(zhuǎn)換函數(shù)可取正負(fù)對稱的S型函數(shù)[4]。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一般選取的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)函數(shù)為

(9)

性能指標(biāo)函數(shù)J決定了全局的慣性項(xiàng)數(shù)值，為了使其快速達(dá)到最小，J應(yīng)按照一定規(guī)則連續(xù)進(jìn)行調(diào)整與搜索，從而對權(quán)值不斷修正，最終輸出參數(shù)可調(diào)的PID值[5]。

2.2 BP-PID與PI復(fù)合控制器

BP-PID控制系統(tǒng)在改善系統(tǒng)性能方面優(yōu)勢明顯，但自學(xué)習(xí)過程算法較為復(fù)雜，收斂速度慢，無法滿足開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩在實(shí)時(shí)性上的要求。故文中設(shè)計(jì)了一種BP-PID與PI復(fù)合的控制器，如圖6所示。

圖6 BP-PID與PI復(fù)合控制器

在大速度誤差下采用BP-PID控制調(diào)速，利用BP網(wǎng)絡(luò)自整定PID參數(shù)，消除較大超調(diào)提高可靠性。小速度誤差下采用算法簡單、速度較快的傳統(tǒng)PI對系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常規(guī)PI參數(shù)以負(fù)載轉(zhuǎn)矩誤差限進(jìn)行整定，這種方法可使負(fù)載與轉(zhuǎn)速變化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的二次調(diào)節(jié)，縮小了速度滯環(huán)，響應(yīng)速度和抗擾性能均得到提高[6]。

3 開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

文中選用五相開關(guān)磁阻電機(jī)功率為30 kW，對其BP-PID與傳統(tǒng)PI復(fù)合下的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了仿真，仿真模型如圖7所示。其中，電源電壓為直流220 V、轉(zhuǎn)速給定為1 000 r/min、磁鏈給定為0.37 Wb、BP-PID控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)速率η=0.32、α=0.02,控制器速度切換值為45 r/min。由開關(guān)表選擇直接轉(zhuǎn)矩控制所需的電壓空間矢量，并與五相功率變換器一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)五相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。

圖7 開關(guān)磁阻電機(jī)仿真模型

4 仿真結(jié)果與分析

通過對五相開關(guān)磁阻電機(jī)仿真，得到五相定子磁鏈變化波形如圖8所示。從圖8可以看到，定子磁鏈穩(wěn)定時(shí)波形為正弦波，有利于圓形磁場的形成，能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生，減小電機(jī)損耗。

圖8 定子各相磁鏈波形

負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖9所示。在運(yùn)行起初階段，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，0.05 s時(shí)變?yōu)?0 N·m，0.1 s時(shí)恢復(fù)至0。

圖9 負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線

從圖9可以看到，轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化的整個(gè)過程中保持平穩(wěn)，最大轉(zhuǎn)速變化為3 r/min。轉(zhuǎn)矩能快速響應(yīng)負(fù)載的變化，轉(zhuǎn)矩脈動最大不超過1.5%，起動轉(zhuǎn)矩為100 N·m，起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)節(jié)時(shí)間短。

負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，PI變參數(shù)與PI定參數(shù)下的轉(zhuǎn)速曲線局部展開對比如圖10所示。

圖10 PI變參數(shù)與PI定參數(shù)下的轉(zhuǎn)速曲線

從圖10可以看到，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，PI變參數(shù)下的轉(zhuǎn)速能快速恢復(fù)至給定值，PI定參數(shù)下的轉(zhuǎn)速衰減較大，轉(zhuǎn)速衰減約為7 r/min。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)至0時(shí)，PI變參數(shù)下的轉(zhuǎn)速誤差略小于PI定參數(shù)。

BP-PID復(fù)合調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器下的轉(zhuǎn)速曲線局部展開對比如圖11所示。

圖11 BP-PID復(fù)合調(diào)節(jié)器與PI調(diào)節(jié)器下的轉(zhuǎn)速曲線

從圖11可以看到，負(fù)載變化前后，BP-PID與PI復(fù)合調(diào)節(jié)器下的轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，基本保持在給定值不變，傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器下的轉(zhuǎn)速誤差較大，最大轉(zhuǎn)速誤差為5 r/min。

5 結(jié)束語

五相開關(guān)磁阻電機(jī)相數(shù)的增加從結(jié)構(gòu)上可以降低轉(zhuǎn)矩脈動，但控制難度遠(yuǎn)大于其他低相數(shù)電機(jī)。采用直接轉(zhuǎn)矩控制，以控制轉(zhuǎn)矩為核心構(gòu)造轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化所需的電壓空間矢量，得到五相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)表。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID與傳統(tǒng)PI兩者的優(yōu)點(diǎn)，以轉(zhuǎn)速誤差限為切換點(diǎn)，同時(shí)加入PI變參數(shù)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和快速性，改善了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，為更高相開關(guān)磁阻電機(jī)的研究與控制提供了重要參考。