專利名稱：無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器及構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)控制器及其構(gòu)造方法，適用于無刷直流電機(jī)的高性能調(diào) 速應(yīng)用，屬于電力傳動控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，由于電力電子器件價格的逐步降低，同時高性能的永磁材料不斷出現(xiàn)，工業(yè)生 產(chǎn)中大量使用永磁無刷直流電機(jī)取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在換向問題的直流電機(jī)。無刷直流電機(jī) 具有于直流電機(jī)的機(jī)械特性，同時結(jié)構(gòu)簡單運行穩(wěn)定，無需電刷換向，適用于各種工況。 但是由于電機(jī)運行中參數(shù)攝動和換相過程造成電磁轉(zhuǎn)矩脈動限制了其調(diào)速性能。作為一復(fù) 雜的多變量非線性系統(tǒng)，無刷直流電機(jī)采用傳統(tǒng)的類似直流電機(jī)的PID控制策略很難滿足 高性能調(diào)速的需要，因為PID參數(shù)的整定值是一定范圍內(nèi)的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu) 值，從根本上不能在較寬的范圍內(nèi)得到好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，同時作為一種線性控制 策略，PID控制對非線性程度較高的系統(tǒng)難以較好控制，這是一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既可改善無刷直流電機(jī)對參數(shù)變化以及擾動的適應(yīng)性、魯棒 性，同時又能有效地提高各項控制性能指標(biāo)，如動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 逆控制器。
本發(fā)明的另一目的是提供無刷直流電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器的構(gòu)造方法。
本發(fā)明無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器采用的技術(shù)方案是包括含降壓斬波變換器的 逆變橋連接無刷直流電機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆與線性閉環(huán)控制器相連接，將所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆與 線性閉環(huán)控制器相串接形成無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆用靜態(tài)人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加2個積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，線性閉環(huán)控制器為速度控制器，由線性系統(tǒng)的設(shè)計方法對 偽線性系統(tǒng)分別作出；偽線性系統(tǒng)為速度子系統(tǒng)，無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由逆變橋、無刷 直流電機(jī)及負(fù)載作為一個整體組成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)共同復(fù)合組成等 效的偽線性系統(tǒng)。
本發(fā)明無刷直流電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器的構(gòu)造方法采用的技術(shù)方案是依次包括如 下步驟①組成無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)；②作整個無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)的等效， 輸入變量為無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器的占空比，輸出變量為電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，通過分 析和推導(dǎo)可得到整個無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為二階微分方程，速度相對階 數(shù)為二階，定其逆系統(tǒng)的輸入變量為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的一階導(dǎo)數(shù)以及二階導(dǎo)數(shù)，輸出變量為無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)的為占空比；③設(shè)計負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器為降維觀測器；④構(gòu)造神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)逆；⑤將階階躍激勵信號加到無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)輸入端；采集激勵信號和實 際轉(zhuǎn)速；對得到的實際轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行離線求一階導(dǎo)數(shù)以及二階導(dǎo)數(shù)，同時通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀 測器的觀測值，用構(gòu)成的訓(xùn)練樣本集對靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，確定靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的各個權(quán)系數(shù)；⑥形成速度子系統(tǒng)；@作出線性閉環(huán)控制器后與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆相串接 構(gòu)成無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器。
本發(fā)明通過構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆環(huán)節(jié)，將原無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)這一非線性系統(tǒng)線性化 為偽線性系統(tǒng)，再通過合理的設(shè)計閉環(huán)控制器，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆方法，解決了復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制問題，通過進(jìn)一步合理設(shè)計 線性閉環(huán)控制器，獲得高性能的協(xié)調(diào)控制以及抗負(fù)載擾動運行性能。
2、 本發(fā)明的方法較之傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)變化不大，構(gòu)造系統(tǒng) 方便，成本低，應(yīng)用前景非常廣闊。


圖1是無刷直流電機(jī)調(diào)速的原理結(jié)構(gòu)圖。其中有無刷直流電機(jī)1、含BUCK(降壓斬波) 電路的逆變橋2。
圖2是無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對應(yīng)的單輸入(占空比p)單輸出(電機(jī)實際轉(zhuǎn)速必)的等 效圖。
圖3是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4與無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3復(fù)合構(gòu)成的偽線性系統(tǒng)的示意圖及其 等效圖。其中包含積分器、靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41，偽線性系統(tǒng)5。
圖4是由線性閉環(huán)控制器6與偽線性系統(tǒng)5組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。其中偽線 性系統(tǒng)由速度子系統(tǒng)51構(gòu)成；線性閉環(huán)控制器為速度控制器。
圖5是采用無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器8對無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3進(jìn)行控制的 完整原理框圖。
圖6是無刷直流電機(jī)在階躍信號激勵下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)(給定轉(zhuǎn)速為階躍信號)。
圖7是采用DSP控制板作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器的本發(fā)明裝置組成示意圖。其中包含
DSP控制器7、光電編碼器9。
圖8是采用DSP控制器7作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器時的程序運行框圖。
具體實施例方式
如圖l-2，把無刷直流電機(jī)1和含BUCK (降壓斬波)電路的逆變橋電路2共同作為 一個整體組成無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3。根據(jù)分析可知該無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3為非線性單輸入單輸出系統(tǒng)，輸入為占空比p,輸出為實際轉(zhuǎn)速必，且速度的相對階為二階，整個系統(tǒng)分段可逆。如圖3，采用4個輸入節(jié)點以及1個輸出節(jié)點的靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41(如多層網(wǎng)絡(luò)BP或經(jīng)向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)RBF等)加2個積分器構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4。再將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4串接在原系統(tǒng)即被控的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3之前，復(fù)合成速度二階積分型偽線性系統(tǒng)5，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的線性化。如圖4，最后為了消除逆系統(tǒng)逼近誤差，對得到的偽線性子系統(tǒng)5采用線性系統(tǒng)設(shè)計理論(如比例積分微分PID、極點配置等設(shè)計方法)進(jìn)行線性閉環(huán)控制器6的設(shè)計。最終形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4與線性閉環(huán)控制器5兩部分，可根據(jù)不同的控制要求采用不同的硬件或軟件來實現(xiàn)。具體實施分以下7步
① 如圖1所示，組成無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件。將含BUCK(降壓斬波)變換器的逆變橋2與無刷直流電機(jī)1共同復(fù)合成一個整體，該復(fù)合被控對象以占空比為輸入p,電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速為輸出w。
② 通過分析、等效與推導(dǎo)，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4的構(gòu)造與學(xué)習(xí)訓(xùn)練提供方法上的依據(jù)。首先作含BUCK(降壓斬波)換器的逆變橋2與無刷直流電機(jī)l的等效，含BUCK(降壓斬波)變換器的逆變橋電路如圖(2)所示，兩者的等效可化單輸入單輸出的非線性系統(tǒng)，且轉(zhuǎn)速的相對階為二階，經(jīng)推導(dǎo)可證明該系統(tǒng)在運行區(qū)域內(nèi)分段可逆，并可確定其逆系統(tǒng)的輸入變量為轉(zhuǎn)速必， 一階導(dǎo)數(shù)；以及二階導(dǎo)數(shù)5，輸出變量為原系統(tǒng)(無刷直流調(diào)速系統(tǒng)3)的輸入P。需要說明的是，這一步僅為以下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4的構(gòu)造與學(xué)習(xí)提供方法上的根據(jù)，在本發(fā)明的具體實施中，這一步的分析、等效以及逆系統(tǒng)的證明等可跳過。
③ 設(shè)計負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器10。根據(jù)現(xiàn)在控制理論中的狀態(tài)反饋與觀測器理論，依據(jù)無刷直流電機(jī)l的線性數(shù)學(xué)模型以占空比P為輸入，直流母線電流為輸出設(shè)計降維觀測器，實時對負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ;進(jìn)行觀測。
④ 構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4。采用靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41加2個積分器構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆見圖3左圖中的虛線框內(nèi)所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用3層的BP網(wǎng)絡(luò)，輸入層節(jié)點數(shù)為4個，隱含層節(jié)點數(shù)為12個，輸出層l個節(jié)點，隱層神經(jīng)元函數(shù)使用(0， 1) S型函數(shù)/(" = (^-廣)/(^+e—",輸出層的神經(jīng)元采用純線性變換函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各權(quán)系數(shù)將在下一步的離線學(xué)習(xí)中確定；然后用此具有4個輸入節(jié)點、l個輸出節(jié)點的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41加2個積分構(gòu)成4輸入節(jié)點，l輸出節(jié)點的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4，見圖3的虛線框所示，其中靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41第一個輸入為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41的第二個輸入，經(jīng)第二個積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41的第三個輸入，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41的第四輸入為負(fù)載觀測器10對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測值 l 。⑤ 確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各權(quán)系數(shù)。其步驟是(A)選擇速度給定信號作為學(xué)習(xí)激勵信號， 如圖5所示，以便無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3在其工作范圍內(nèi)能被充分激勵；(B)將選定的
激勵信號加在單轉(zhuǎn)速環(huán)的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)3輸入端，同時采樣占空比^和實際轉(zhuǎn)速必
以及負(fù)載觀測器10對負(fù)載的動態(tài)觀測值7l; (C)離線對實際轉(zhuǎn)速"求導(dǎo)，得到；和5，從
而構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本{",; ,^tLp}; (D)對靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41采用變學(xué)習(xí)率的誤差 反傳BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)訓(xùn)練2000次后，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41輸出均方誤差小于0.01， 滿足要求，從而確定了靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41的各權(quán)系數(shù)。
⑥ 形成偽線性系統(tǒng)5。將離線訓(xùn)練好的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41配上二個積分器構(gòu)成的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)逆4，與圖4所示的被控的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)串接復(fù)合，形成速度二階的偽線性 子系統(tǒng)，實現(xiàn)了把復(fù)雜非線性系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)化為簡單的線性子系統(tǒng)控制。
⑦ 作出線性閉環(huán)控制器6。對得到的速度二階偽線性子系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制器設(shè)計。
⑧ 作出線性閉環(huán)控制器最終形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器8包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆4與線性閉 環(huán)控制器6兩部分，如圖7所示，可根據(jù)不同控制要求采用不同的硬件或軟件來實現(xiàn)。
圖7是本發(fā)明的具體示意圖，圖中主控制芯片采用基于美國TI公司的 TMS320F2812DSP電機(jī)專用控制芯片的控制板?？刂瓢宀糠种饕ü收闲盘柕臋z測，光 電隔離電路，以及與TMS320F2812DSP芯片相連的接口電路。
系統(tǒng)的程序框圖如圖8所示，包括主程序和中斷服務(wù)程序。主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初 始化，同時根據(jù)速度控制中斷服務(wù)與命令給定中斷服務(wù)進(jìn)行實時的診斷故障以及報警。速 度控制中斷服務(wù)作為定時中斷主要實現(xiàn)保護(hù)程序現(xiàn)場，同時實時采樣信號，對采樣信號進(jìn) 行處理后，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制，最后恢復(fù)現(xiàn)場，退出中斷。命令給定中斷作為人機(jī)交互 模塊，主要實現(xiàn)給定各種控制命令。被控?zé)o刷直流電機(jī)的參數(shù)為P=120W; C/=36V; I=4A ; <y=400rpm。
權(quán)利要求
1.一種無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器，包括含降壓斬波變換器的逆變橋(2)連接無刷直流電機(jī)(1)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4)與線性閉環(huán)控制器(6)相連接，其特征是將所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4)與線性閉環(huán)控制器(6)相串接形成無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器(8)，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4)用靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)加2個積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，線性閉環(huán)控制器(6)為速度控制器，由線性系統(tǒng)的設(shè)計方法對偽線性系統(tǒng)(5)分別作出；偽線性系統(tǒng)(5)為速度子系統(tǒng)(51)，無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(3)由逆變橋(2)、無刷直流電機(jī)(1)及負(fù)載作為一個整體組成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4)和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(3)共同復(fù)合組成等效的偽線性系統(tǒng)(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器，其特征是所述靜態(tài)人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)有4個輸入節(jié)點和1個輸出節(jié)點，其中靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)的第一輸 入為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4)的輸入，第一個輸入經(jīng)第一個積分環(huán)節(jié)為靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41) 的第二個輸入，靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)的第二個輸入經(jīng)過一積分環(huán)節(jié)為其第三個輸入， 其第四輸入為負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器(10)對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測值，靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)的輸 出為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4)的輸出。
3. —種無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器的構(gòu)造方法，其特征是依次包括如下步驟① 組成無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)(3);② 作整個無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)(3)的等效，輸入變量為無刷直流電機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)控制器的占空比，輸出變量為電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，通過分析和推導(dǎo)可得到整個無刷直流電 機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)(3)的數(shù)學(xué)模型為二階微分方程，速度相對階數(shù)為二階，定其逆系統(tǒng)的 輸入變量為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的一階導(dǎo)數(shù)以及二階導(dǎo)數(shù)，輸出變量為無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)(3)的為占空比；③ 設(shè)計負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器(10)為降維觀測器；④ 構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(4);⑤ 將階階躍激勵信號加到無刷直流電機(jī)調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)(3)輸入端；采集激勵信號和 實際轉(zhuǎn)速；對得到的實際轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行離線求一階導(dǎo)數(shù)以及二階導(dǎo)數(shù)，同時通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩 觀測器(10)的觀測值，用構(gòu)成的訓(xùn)練樣本集對靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)進(jìn)行訓(xùn)練，確定 靜態(tài)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(41)的各個權(quán)系數(shù)； 形成速度子系統(tǒng)(51);⑦作出線性閉環(huán)控制器(6)后與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆(4)相串接構(gòu)成無刷直流電機(jī)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)逆控制器(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無刷直流電機(jī)調(diào)速控制器及構(gòu)造方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆與線性閉環(huán)控制器，將逆變橋及無刷直流電機(jī)作為一個整體組成一個無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆串在所述的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)前，共同復(fù)合成由速度子系統(tǒng)構(gòu)成的偽線性系統(tǒng)，在速度子系統(tǒng)基礎(chǔ)上再構(gòu)建線性閉環(huán)控制器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆與線性閉環(huán)控制器相串接即形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器，采用該控制器的無刷直流電機(jī)可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，不僅可設(shè)計新的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)，而且可用于改造原有的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)置系統(tǒng)方便且成本低。
文檔編號H02P6/08GK101630936SQ20091018430
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者劉國海, 躍 沈, 彥 蔣, 鵬 金 申請人:江蘇大學(xué)