基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究

摘要：概述了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的控制規(guī)律。為提高感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在DTC方式下的低速性能，在對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制進(jìn)行了比較深入的分析后，提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理DTC復(fù)雜計(jì)算的控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能進(jìn)一步改善感應(yīng)電動(dòng)機(jī)DTC的性能。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；變頻；直接轉(zhuǎn)矩控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

1 引言
    DTC技術(shù)利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(Bang-Bang控制)，將轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，并產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，這樣就獲得了高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它無(wú)需將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制。由于省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與解耦，從而簡(jiǎn)化了異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒(méi)有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器，因此其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制信號(hào)處理的物理概念明確，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的DTC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)由速度給定值與轉(zhuǎn)子反饋的速度信號(hào)形成誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的控制處理后獲得轉(zhuǎn)矩的給定值T*，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)T*與轉(zhuǎn)矩反饋值T的信號(hào)差為ET。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)是轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)，磁鏈調(diào)節(jié)器采用施密特觸發(fā)器，容差±ε，通過(guò)磁鏈調(diào)節(jié)器的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，將磁鏈波動(dòng)限定在±ε內(nèi)，達(dá)到控制磁鏈的目的。開關(guān)狀態(tài)選擇單元采用離散的三點(diǎn)式調(diào)節(jié)方式。根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、定子磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出及定子磁鏈的扇區(qū)位置來(lái)選擇合理的逆變器開關(guān)狀態(tài)，用以輸出合理的電壓空間矢量。系統(tǒng)以TMS320LF2407A型DSP為核心組成控制器，由整流器、電壓型逆變器構(gòu)成主回路。整個(gè)系統(tǒng)按功率電路板、DSP控制板、電源、保護(hù)電路及信號(hào)檢測(cè)電路等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。
    在該系統(tǒng)中，設(shè)置的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器，設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)。它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。
    因?yàn)槎ㄗ哟沛溈杀硎緸閮上囔o止坐標(biāo)系下電流iα1，iβ1和電壓uα1，uβ1的非線性函數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩可轉(zhuǎn)換成兩相電流和磁鏈的非線性函數(shù)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系下的方程為：
   
    由式(2)可得定子磁鏈模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，在靜止兩相坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：
    T=npLm(iβiα2-iα1iβ2)         (3)

    兩相靜止坐標(biāo)系下的磁鏈方程為：

    由式(6)得轉(zhuǎn)矩模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    在DTC技術(shù)中，其基本控制方法就是通過(guò)電壓空間矢量us(t)來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度及定子磁鏈運(yùn)行狀態(tài)，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。DTC系統(tǒng)的核心問(wèn)題：①轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；②如何根據(jù)兩個(gè)Bang-Bang控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和控制器兩部分構(gòu)成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，以期達(dá)到最佳的控制效果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的電子學(xué)模型，一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本執(zhí)行要素是神經(jīng)元。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依賴于神經(jīng)元的層數(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)知識(shí)的掌握是通過(guò)對(duì)樣本的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)學(xué)習(xí)大量的實(shí)例，網(wǎng)絡(luò)用嘗試錯(cuò)誤的方法來(lái)不斷減小錯(cuò)誤，修正權(quán)值，從而掌握蘊(yùn)含于樣本的知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)權(quán)值的調(diào)整記錄所學(xué)過(guò)樣本，并掌握輸入與輸出之間的關(guān)系。正是因?yàn)樗目扇我獗平蔷€性模型特性，所以十分適用于交流調(diào)速系統(tǒng)的控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在交流調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制方式下，采用的經(jīng)典算式為增量式PID算法：
    u(k)=u(k-1)+△u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]        (7)
    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID控制器3個(gè)可調(diào)整參數(shù)kp，ki，kd。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，權(quán)系數(shù)調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)。
    輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)選為3，誤差量x1(k)=e(k)，x2(k)反映誤差的累計(jì)效果，，x3(k)反映誤差變化快慢，x3(k)=e(k)-e(k-1)。輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)選為3，輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)kp，ki，kd。由于該參數(shù)不能為負(fù)數(shù)，所以輸出層神經(jīng)元的激發(fā)函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)。隱藏層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)可由經(jīng)驗(yàn)公式q=(n+m)1/2+f確定，其個(gè)數(shù)選為4。

    輸出層神經(jīng)元的激發(fā)函數(shù)。按梯度下降法修改網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，即按照e(k)對(duì)權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整，并附加一個(gè)使搜索快速收斂的全局極小慣性項(xiàng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)采用電機(jī)為三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，測(cè)得磁通的α，β分量波形如圖5a所示，電機(jī)氣隙磁通軌跡如圖5b所示。

    可見(jiàn)，電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布更加均勻，進(jìn)一步改善了電機(jī)控制的性能。將該系統(tǒng)應(yīng)用在礦山的牽引變頻電機(jī)上取得了良好的效果。

    圖6為系統(tǒng)突增負(fù)載和突減負(fù)載運(yùn)行時(shí)電流、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)波形?？梢?jiàn)，波形穩(wěn)定平滑，超調(diào)量約為0．8％，動(dòng)態(tài)速降約為5 r·min-1，靜差率約為零。電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)且方便實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。

5 結(jié)論
    感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制信號(hào)處理的物理概念明確，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有并行計(jì)算能力，縮短了計(jì)算時(shí)間，且控制算法不依賴或不完全依賴于對(duì)象模型，僅取決于系統(tǒng)的實(shí)際偏差及變化率，具有容錯(cuò)能力，因而系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，使進(jìn)一步提高開關(guān)頻率成為可能，提高了系統(tǒng)的控制性能。