專利名稱：一種無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器，適用于無軸承無刷直流電機的高性能控制，屬于電力傳動控制設備技術領域。
背景技術：
無刷直流電機結合了直流電機和交流電機的特點，具有調速性能好、起動容易、能夠載重起動、壽命長等優(yōu)點，并且維護方便、噪聲小、不存在因電刷而引起的一系列問題。無軸承無刷直流電機利用磁場力作用實現(xiàn)電機轉子的懸浮，既具備無刷直流電機的優(yōu)點，又具備磁軸承電機的無摩擦、無磨損、不需潤滑和密封、高速度、高精度、壽命長的特點，具有很大潛在的工程應用價值?，F(xiàn)代工業(yè)應用中對電機控制系統(tǒng)性能的要求越來越高，為了改善電機的性能，不僅要對電機本體結構進行研究，也要采用先進的控制策略對電機進行控制。對無軸承無刷直流電機的研究主要集中于對電機本體、控制器硬件電路及無位置傳感器等方面，對現(xiàn)代控制策略應用方面的研究較少，而普通PID控制算法僅能在線性時不變的數(shù)學模型所描述的控制系統(tǒng)中獲得良好的性能。當系統(tǒng)中存在未知或變化的動態(tài)量時，這種控制方式就不能取得很好的效果，特別是將無軸承技術應用到無刷直流電機當中時，整個系統(tǒng)將變?yōu)橐粋€復雜的非線性強耦合系統(tǒng)，當系統(tǒng)的參數(shù)時變過大時，系統(tǒng)甚至會不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)無軸承無刷直流電機的正常工作。為了提高無軸承無刷直流電機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，可以采用微分幾何或逆系統(tǒng)控制器，但其要求被控系統(tǒng)的數(shù)學模型精確已知，必須求出反饋控制的解析表達式，而且要求系統(tǒng)參數(shù)恒定或參數(shù)變化規(guī)律已知，而作為一個復雜的非線性被控對象，無軸承無刷直流電機轉子參數(shù)隨工況的變化十分明顯，加之存在一些不可預見的干擾和動態(tài)影響，使微分幾何控制與解析逆系統(tǒng)控制難以在實際中真正應用。國內(nèi)現(xiàn)有的相關專利申請公開的有1)專利申請?zhí)枮镃N200510038099. 5，名稱為磁懸浮開關磁阻電動機徑向神經(jīng)網(wǎng)絡逆解耦控制器及構造方法，針對的磁懸浮開關磁阻電動機設計徑向神經(jīng)網(wǎng)絡逆解耦控制器；2)專利申請?zhí)枮镃N200510040065. X，名稱為 基于神經(jīng)網(wǎng)絡逆五自由度無軸承永磁同步電機控制系統(tǒng)及控制方法，針對的是五自由度無軸承永磁同步電機設計控制系統(tǒng)。3)專利申請?zhí)枮镃N200610038711.3，名稱為無軸承交流異步電機神經(jīng)網(wǎng)絡逆解耦控制器及構造方法，針對的是無軸承交流異步電機設計神經(jīng)網(wǎng)絡逆解耦控制器。而目前還未見任何有針對無軸承無刷直流電機的神經(jīng)網(wǎng)絡逆解耦控制器的文獻公開；由于無軸承無刷直流電機結構的特殊性，必須分段推導其轉矩系統(tǒng)及懸浮系統(tǒng)數(shù)學模型，并且分段分析其可逆性，其對應的神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)結構也與其它無軸承電機不同。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器，將
3神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆系統(tǒng)原理引入無軸承無刷直流電機，既可使無軸承無刷直流電機具有優(yōu)良的抗電機參數(shù)變化及抗負載擾動能力，又能有效地提高無軸承無刷直流電機的各項控制性能指標。本實用新型的技術方案是由線性閉環(huán)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡逆和復合被控對象依次串接組成；所述復合被控對象由兩個PWM逆變器分別串接于無軸承無刷直流電機之前組成，所述神經(jīng)網(wǎng)絡逆由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡和6個積分器組成；神經(jīng)網(wǎng)絡逆與復合被控對象串接組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)等效為兩個位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)；所述線性閉環(huán)控制器由兩個位置控制器和一個速度控制器組成。本實用新型的有益效果是1.無軸承無刷直流電機比磁軸承支承的電機具有更加合理，更加實用的結構，系統(tǒng)結構緊湊，轉子軸向長度大大縮短，電機轉速、功率可以進一步得到提高，并可以實現(xiàn)高速及超高速運行。2.通過構造神經(jīng)網(wǎng)絡逆，將無軸承無刷直流電機這一非線性強耦合時變系統(tǒng)的控制轉化為對兩個轉子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)的控制，可以方便的采用PID、極點配置、線性最優(yōu)二次型調節(jié)器或魯棒伺服調節(jié)器等方法設計線性閉環(huán)控制器，使無軸承無刷直流電機獲得良好的動靜態(tài)性能以及抗負載擾動能力，有效地提高無軸承無刷直流電機的各項控制性能指標，如動態(tài)響應速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度及參數(shù)魯棒性，很好地解決了無軸承無刷直流電機的高性能控制問題，實現(xiàn)無軸承無刷直流電機轉子徑向位移、轉速之間的獨立控制，確保電機轉子穩(wěn)定懸浮和運行；極大地促進了無刷直流電動機的實用化步伐，而且為其它無軸承電機控制系統(tǒng)，以及適合磁軸承支承的各種類型的電機控制的非線性系統(tǒng)線性化和解耦控制提供了一條有效途徑。3.采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡加積分器來實現(xiàn)復合被控對象的逆系統(tǒng)，并構造神經(jīng)網(wǎng)絡α 階逆控制器來實現(xiàn)對無軸承無刷直流電機的控制，神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制方法不依賴于被控系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，只需要很少的先驗知識，因而適用于常規(guī)的非線性系統(tǒng)，能夠很好實現(xiàn)被控系統(tǒng)的解耦線性化。完全擺脫了傳統(tǒng)的微分幾何控制方法對數(shù)學模型的依賴性， 彌補了基于微分幾何控制方法中對無軸承無刷直流電機的數(shù)學模型要求嚴格的缺陷，避免了由于系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定所導致的系統(tǒng)控制誤差，能有效地減小電機參數(shù)變化與負載擾動對無軸承無刷直流電機性能的影響，顯著地提高了無軸承無刷直流電機的性能指標。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明
圖1是本實用新型的結構框圖；圖2是圖1中復合被控對象4的組成圖；圖3是圖1中神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的結構示意圖；圖4是圖1中偽線性系統(tǒng)7的示意圖及其等效圖；圖5是由線性閉環(huán)控制器8與偽線性系統(tǒng)7組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)結構圖；圖中1.無軸承無刷直流電機；2、3. PWM逆變器；4.復合被控對象；5.靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡；6.神經(jīng)網(wǎng)絡逆；7.偽線性系統(tǒng)；8.線性閉環(huán)控制器；9.無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡 α階逆控制器；81、82.位置控制器；83.速度控制器。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器9由線性閉環(huán)控制器8、神經(jīng)網(wǎng)絡逆6和復合被控對象4依次串接組成。神經(jīng)網(wǎng)絡逆6置于復合被控對象 4之前，為復合被控對象4的神經(jīng)網(wǎng)絡逆6，通過調整神經(jīng)網(wǎng)絡的權系數(shù)使神經(jīng)網(wǎng)絡逆6實現(xiàn)復合被控對象4的逆系統(tǒng)功能。復合被控對象4由兩個PWM逆變器2、3及無軸承無刷直流電機1作為一個整體組成，由兩個PWM逆變器2、3分別串接于無軸承無刷直流電機1之前。神經(jīng)網(wǎng)絡逆6由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5和6個積分器組成。神經(jīng)網(wǎng)絡逆6與復合被控對象4串接組成偽線性系統(tǒng)7，偽線性系統(tǒng)7等效為兩個位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)。線性閉環(huán)控制器8由兩個位置控制器81、82和一個速度控制器83 來構成。兩個位置控制器81、82和一個速度控制器83分別兩個位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)設計，實現(xiàn)無軸承無刷直流電機轉子徑向位移、轉速之間的獨立控制，確保電機轉子穩(wěn)定懸浮和運行。根據(jù)無軸承無刷直流電機不同的控制要求，可選擇不同的硬件和軟件來實現(xiàn)。實現(xiàn)本實用新型無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器9的具體方法如下1.參見圖2，形成復合被控對象4。由兩個PWM逆變器2、3以及無軸承無刷直流電機1作為一個整體組成復合被控對象4 ；復合被控對象4的期望輸出為
= Kuf ,其中輸出信號①為電機轉速，輸出信號υ分別為電機轉子在X、Y 軸方向上的位移；復合被控對象4的輸入為；^㈣ 屮 為判判]1 = !；^^；^^^^^ ，其中輸入信號P *為PWM逆變器2的輸入占空比，輸入信號C1、。分別為U相懸浮繞組 suUsu2的給定電流，輸入信號4、4分別為V相懸浮繞組svl、sv2的給定電流，輸入信號 C4、&分別為W相懸浮繞組swl、sw2的給定電流。2.參見圖3，構建神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的結構。根據(jù)無軸承無刷直流電機1的原理建立復合被控對象4的數(shù)學模型，在此基礎上求出系統(tǒng)的向量相對階為{2，2，幻，則復合被控對象4分段可逆。采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5加6個積分器來構造神經(jīng)網(wǎng)絡逆6，將復合被控對象4
的期望輸出.ν=[Λ，Λ，Λ]Τ =的α階導數(shù)JHA Λ Λ]Τ = [ X #作為神經(jīng)網(wǎng)絡逆6
的輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的輸出為a==。靜態(tài)神經(jīng)
網(wǎng)絡5采用三層前饋網(wǎng)絡結構，其具有9個輸入節(jié)點、7個輸出節(jié)點，M個隱含節(jié)點，隱層神經(jīng)元激活函數(shù)使用s型函數(shù)，輸出層的神經(jīng)元采用純線性函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)
絡逆6的第一個輸入J作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器的輸出作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器的輸出作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第三個輸入；神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的第二個輸入A'作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第四個輸入，其經(jīng)第三個積分器的輸出作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器的輸出作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第六個輸入；神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的第三個輸入Jf作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第七個輸入，
5其經(jīng)第五個積分器的輸出作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第八個輸入；再經(jīng)第六個積分器的輸出作為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的第九個輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的輸出就是神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的輸出。3.參見圖4，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5權系數(shù)確定。在無軸承無刷直流電機1的工作區(qū)域內(nèi)，將P *、C、C、4、C、C、G這7個為隨機方波信號作為階躍激勵信號施加于復
合被控對象4的輸入端，并對該輸入信號《^[崎為…抖湖斗而f = 1^,4,4,4,4,01^
及輸出響應=進行采集，得到10000組原始數(shù)據(jù)樣本
W1^2, ^4^5^6^7^1^2,^}；采用高階數(shù)值微分方法離線計算的各階導數(shù){ A，Λ
，Λ，. , J3 , Λ ,從而得到神經(jīng)網(wǎng)絡逆6的訓練樣本集，其中輸入樣本集取為{艿，λ
，>:2，Λ，5 ，Λ i，輸出樣本集取為{^， ， ， ， ， 丨，并且對訓練樣本集做歸一
化處理；從歸一化后的訓練樣本中選取7000組數(shù)據(jù)，利用變步長加動量項的BP算法離線訓練靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5，使神經(jīng)網(wǎng)絡輸出均方誤差小于0. 001，從而確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡5的各個權系數(shù)。4.參見圖4，形成偽線性系統(tǒng)7。將神經(jīng)網(wǎng)絡逆6置于復合被控對象4之前，神經(jīng)網(wǎng)絡逆6與復合被控對象4串聯(lián)組成偽線性系統(tǒng)7，偽線性系統(tǒng)7包括三個單輸入單輸出子系統(tǒng)，分別為兩個轉子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)。5.參見圖5，設計線性閉環(huán)控制器8。分別對兩個轉子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)設計兩個位置控制器81、82和一個速度控制器83，并由上述兩個位置控制器81、82和一個速度控制器83來構成線性閉環(huán)控制器8，如圖4所示。其中線性閉環(huán)控制器8可以采用線性系統(tǒng)理論中的PID控制、極點配置、線性最優(yōu)二次型調節(jié)器、魯棒伺服調節(jié)器等方法來設計。其中線性二次型最優(yōu)控制器不僅能夠克服測量噪聲，并能處理非線性干擾，是反饋系統(tǒng)設計的一種重要工具，在本發(fā)明給出的實施例中，兩個位置控制器81、82和一個速度控制器83均選用線性二次型最優(yōu)控制理論設計，控制器的參數(shù)根據(jù)實際控制對象需進行調整。最后構成圖1所示的無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器9。將線性閉環(huán)控制器8、神經(jīng)網(wǎng)絡逆6和復合被控對象4中的兩個PWM逆變器2、3依次串接共同構成無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器9。
權利要求1.一種無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器，其特征是由線性閉環(huán)控制器 (8)、神經(jīng)網(wǎng)絡逆(6)和復合被控對象(4)依次串接組成；所述復合被控對象(4)由兩個PWM 逆變器(2、3)分別串接于無軸承無刷直流電機(1)之前組成，所述神經(jīng)網(wǎng)絡逆(6)由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)和6個積分器組成；神經(jīng)網(wǎng)絡逆(6)與復合被控對象(4)串接組成偽線性系統(tǒng) (7)，偽線性系統(tǒng)(7)等效為兩個位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)；所述線性閉環(huán)控制器(8)由兩個位置控制器(81、82)和一個速度控制器(83)組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器，其特征是所述靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)具有9個輸入節(jié)點、7個輸出節(jié)點二4個隱含節(jié)點；神經(jīng)網(wǎng)絡逆 (6)的第一個輸入是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第一個輸入，其經(jīng)第一個積分器的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第二個輸入，再經(jīng)第二個積分器的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第三個輸入；神經(jīng)網(wǎng)絡逆(6)的第二個輸入是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第四個輸入，其經(jīng)第三個積分器的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第五個輸入，再經(jīng)第四個積分器的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第六個輸入；神經(jīng)網(wǎng)絡逆(6)的第三個輸入是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第七個輸入，其經(jīng)第五個積分器的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的第八個輸入；再經(jīng)第六個積分器的輸出是靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5) 的第九個輸入；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(5)的輸出是神經(jīng)網(wǎng)絡逆(6)的輸出。
專利摘要本實用新型公開一種無軸承無刷直流電機神經(jīng)網(wǎng)絡α階逆控制器，由線性閉環(huán)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡逆和復合被控對象依次串接組成；復合被控對象由兩個PWM逆變器分別串接于無軸承無刷直流電機之前組成，神經(jīng)網(wǎng)絡逆由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡和6個積分器組成；神經(jīng)網(wǎng)絡逆與復合被控對象串接組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)等效為兩個位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)；線性閉環(huán)控制器由兩個位置控制器和一個速度控制器組成。能實現(xiàn)無軸承無刷直流電機轉子徑向位移、轉速之間的獨立控制，確保電機轉子穩(wěn)定懸浮和運行，使無軸承無刷直流電機獲得良好的動靜態(tài)性能以及抗負載擾動能力。
文檔編號H02P21/00GK202004708SQ20112000516
公開日2011年10月5日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權日2011年1月10日
發(fā)明者張婷婷, 朱熀秋, 潘偉 申請人:江蘇大學