黃 繼，羅 航，郭 婧，李長紅，高 佳

(1.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，山西 太原 030002；2.解放軍96421部隊(duì)，陜西 寶雞 721012；3.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

基于單神經(jīng)元的永磁同步電機(jī)自適應(yīng)PSD速度控制

黃 繼1，羅 航2，郭 婧3，李長紅3，高 佳1

(1.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，山西 太原 030002；2.解放軍96421部隊(duì)，陜西 寶雞 721012；3.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

為了解決伺服系統(tǒng)電機(jī)或負(fù)載參數(shù)發(fā)生變化時(shí)對(duì)控制帶來的影響，提出了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)的單神經(jīng)元自適應(yīng)速度控制方法，引入速度誤差、誤差的一次差分及誤差的二次差分作為單神經(jīng)元的輸入信號(hào)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)和學(xué)習(xí)規(guī)則，給出了單神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)的Simulink框圖，針對(duì)PMSM的矢量控制系統(tǒng)，采用MATLAB進(jìn)行了單神經(jīng)元自適應(yīng)PSD速度控制仿真及電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

永磁同步電機(jī)；單神經(jīng)元；矢量控制；速度控制

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便以及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在高性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景，在工業(yè)、航空航天、國防領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如數(shù)控機(jī)床，天線、雷達(dá)跟蹤伺服系統(tǒng)等。由于永磁同步電機(jī)輸入至輸出一般是多變量、非線性、強(qiáng)耦合的，按照經(jīng)典的PID控制器很難取得良好的參數(shù)匹配[1-2]，同時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)會(huì)隨環(huán)境的變化發(fā)生改變，如當(dāng)溫度變化時(shí)，電阻、電感、粘滯摩擦系數(shù)發(fā)生變化，或當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，控制性能均會(huì)受到一定程度的影響，對(duì)此，不少學(xué)者將先進(jìn)控制理論引入到永磁同步電機(jī)的控制中，如非線性控制[3-4]、智能控制[5]、以及系統(tǒng)辨識(shí)的技術(shù)[6-7]等，但算法復(fù)雜不便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

近年來, 神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器因具有算法簡單、易于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn), 得到了廣泛的應(yīng)用。而神經(jīng)元自適應(yīng)PSD 控制器由于能夠在線調(diào)整神經(jīng)元比例系數(shù), 具有比前者更好的自適應(yīng)能力[8]。

Marsik 和Strejc根據(jù)控制過程的幾何特性建立性能指標(biāo), 提出了自適PSD(比例、求和、微分)控制。這種方法無需辨識(shí)對(duì)象的參數(shù), 只要檢測系統(tǒng)誤差就可以形成閉環(huán)控制。筆者基于單神經(jīng)元的自適應(yīng)PSD控制方法，具有控制簡單、對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化不敏感、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，可有效提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 PMSM電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)永磁同步電動(dòng)機(jī)工作采用Y型連接，設(shè)A相、B相以及C相的電壓分別為uA、uB和uC，而三相電流分別為iA、iB和iC。設(shè)由A-B-C軸到d-q軸的變換陣為：

(1)

可得到d、q軸的電壓和電流：

[UdUq]T=P[uAuBuC]T

(2)

[IdIq]T=P[iAiBiC]T

(3)

永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為

(4)

轉(zhuǎn)矩方程為

Te=1.5p[ΨrIq+(Ld-Lq)IdIq]

(5)

式中：Ld、Lq分別為d軸和q軸的電樞電感；R為定子繞組的電阻；Id、Iq分別為d軸和q軸電流；Ud、Uq分別為d軸和q軸電壓；ωr為轉(zhuǎn)子的角速度；Ψr為轉(zhuǎn)子磁極磁通；p為極對(duì)數(shù)；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化控制，這里采用Id≡0的控制方案，這時(shí)轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系將簡化為

Te=1.5pΨrIq

(6)

圖1給出了PMSM調(diào)速系統(tǒng)控制的整體框圖，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)由電流環(huán)和速度環(huán)兩個(gè)部分，由于電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)小于速度環(huán)的時(shí)間常數(shù)，因此在實(shí)際控制中，電流環(huán)要做到響應(yīng)速度快，需要實(shí)時(shí)性高，運(yùn)算量不能太大，因此電流調(diào)節(jié)器采用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器，并采用基于d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的PI調(diào)節(jié)，能保證電流跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差為0。速度環(huán)采用單神經(jīng)元PSD控制，用以克服包括電流環(huán)在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)的慢時(shí)變、非線性等不利因素，可提高系統(tǒng)的魯棒性。

2 單神經(jīng)元自適應(yīng)PSD算法

圖2為單神經(jīng)元PSD控制的結(jié)構(gòu)框圖，該控制器是通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能。x1、x2、x3以及W1、W2、W3分別為控制器的輸入及其相應(yīng)的加權(quán)系數(shù),W1～W3的右上角的箭頭表示其為可調(diào)節(jié)的參數(shù)。

控制器的輸出及學(xué)習(xí)規(guī)則可表示為

(7)

(8)

式中：e(k)是誤差信號(hào);z(k)是教師信號(hào)，取z(k)=e(k);η1為積分學(xué)習(xí)速率；η2為比例學(xué)習(xí)速率；η3為微分學(xué)習(xí)速率。

控制器的輸入分別為誤差、誤差的一次差分和誤差的二次差分，即

(9)

學(xué)習(xí)速率ηi的取值對(duì)于單神經(jīng)元PSD控制系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的影響,學(xué)習(xí)速率較大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,學(xué)習(xí)速率較小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的收斂速度很慢。而在系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中，如果學(xué)習(xí)速率不變，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容易陷入局部最優(yōu)，因此可采用自調(diào)整學(xué)習(xí)速率,算法如下：

(10)

3 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)圖1所示的控制系統(tǒng)，首先進(jìn)行了MATLAB仿真研究，應(yīng)用Power System Blockset工具箱搭建PMSM控制系統(tǒng)，其中，單神經(jīng)元速度控制器的Simulink仿真模型如圖3所示,仿真電機(jī)參數(shù)：R為2.8 Ω，Ld為8.3 mH，Lq為8.3 mH，Ψr為0.18 Wb，p為4，J為0.8×10-3kg·m2，母線電壓為直流400 V。

圖4～9分別給出了當(dāng)速度環(huán)采用神經(jīng)元自適應(yīng)PSD控制器,速度輸入為400 rad/s時(shí)，產(chǎn)生的階躍響應(yīng)的轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)矩波形、d軸和q軸的電流波形以及PMSM電機(jī)的線電流波形與線電壓波形。

由圖4～9可知，在電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候電流較大，啟動(dòng)之后電機(jī)進(jìn)入加速過程，電流幅值迅速減小，當(dāng)速度到達(dá)指令速度時(shí)，電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)，電流減小直至不變。相電流波形正弦度高，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，系統(tǒng)過渡過程平穩(wěn), 穩(wěn)態(tài)誤差小，使PMSM調(diào)速系統(tǒng)取得良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法，開發(fā)了基于TI公司DSP2407的永磁同步電機(jī)的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示。

功率主回路采用三菱公司的IPM，型號(hào)為PM300CLA060，最大電流300 A，耐壓600 V，采用霍爾檢測電機(jī)A相和B相電流，通過A/D采集進(jìn)入DSP，實(shí)現(xiàn)電流反饋，利用旋轉(zhuǎn)變壓器(旋變)檢測電機(jī)角度，經(jīng)過RDC芯片(AD2S83)將旋變采集角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，通過數(shù)據(jù)總線送進(jìn)DSP，用于完成矢量變換和速度控制。試驗(yàn)中選用西安微電機(jī)研究所生產(chǎn)的電機(jī)，參數(shù)為：定子電阻0.014 Ω，定子電感0.33 mH，力矩系數(shù)有效值0.116 N·m/A，試驗(yàn)中母線電壓為56 V，試驗(yàn)中的速度調(diào)節(jié)器采用了單神經(jīng)元PSD控制器，并進(jìn)行了速度階躍響應(yīng)試驗(yàn)，圖11給出了采用本文方法時(shí)電機(jī)在800 r/min的轉(zhuǎn)速和電流波形。

由仿真和試驗(yàn)曲線可以看出，當(dāng)采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PSD控制器時(shí)，速度響應(yīng)平滑，無超調(diào)，能很好地適應(yīng)當(dāng)電機(jī)參數(shù)發(fā)生緩慢變化時(shí)對(duì)控制性能帶來的影響，因而該控制方法能提高伺服系統(tǒng)的魯棒性，進(jìn)而能提高PMSM控制系統(tǒng)的整體性能。

4 結(jié)束語

筆者介紹的基于永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)的神經(jīng)元自適應(yīng)PSD速度控制的新方法，一方面解決了電機(jī)模型不準(zhǔn)確所帶來的控制精度難以得到提高的問題；另一方面，可很好地解決由于環(huán)境的改變導(dǎo)致電機(jī)繞組電阻、電感和粘滯摩擦系數(shù)等參數(shù)變化以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化對(duì)控制性能帶來的影響。采用本文控制方法時(shí)，可通過其學(xué)習(xí)算法不斷地適應(yīng)周圍環(huán)境和負(fù)載的變化，能有效提高交流調(diào)速系統(tǒng)的精度和魯棒性，該算法實(shí)時(shí)性好，通過DSP定點(diǎn)運(yùn)算速度快，可滿足實(shí)際的采樣時(shí)間要求，具有很好的工程實(shí)用性。

References)

[1]陶永華，尹怡欣，葛蘆生．新型PID控制及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998. TAO Yonghua,YIN Yixin,GE Lusheng. New PID control and its application[M].Beijing: China Machine Press,1998.(in Chinese)

[2]劉金琨．先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003. LIU Jinkun. Advanced PID control and its MATLAB simulation[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2003.(in Chinese)

[3]祝曉輝，李穎暉，陳亞濱. 基于非線性狀態(tài)觀測器的永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器矢量控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(1)：50-57. ZHU Xiaohui,LI Yinghui,CHEN Yabin. Sensorless vector control for PMSM based on nonlinear state observer[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2010，25(1)：50-57.(in Chinese)

[4]史婷娜,張必軍,劉濤,等.五橋臂逆變器驅(qū)動(dòng)的雙永磁同步電機(jī)系統(tǒng)占空比優(yōu)化調(diào)制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2015,35(6)：1498-1507. SHI Tingna,ZHANG Bijun,LIU Tao,et al. Duty cycle optimization modulation strategy for a five-leg-inverter sup-plying two PMSM system[J].Proceedings of the CSEE， 2015,35(6)：1498-1507.(in Chinese)

[5]MOSLEH M， HARTHI A. Control of permanent magnet synchronous motor using artificial neural networks[J]. Advances in Electrical Engineering Systems,2012,1(3):157-162.

[6]ICHIKAWA S, TOMITA M, DOKI S, et al. Sensorless control of permanent magnet synchronous motors using online parameter identification based on system identification theory[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(2): 363-372.

[7]CHEN Wei,CHEN Yankun,LI Hongfeng,et al.Sensorless control of permanent magnet synchronous motor based on sliding mode observer[C]∥IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference. Harbin：IEEE,2012:245-253.

[8]王順晃, 舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1995. WANG Shunhuang,SHU Diqian. Intelligent control system and its application[M].Beijing: China Machine Press,1995.(in Chinese)

Study of Permanent Magnet Synchronous Motor AdaptivePSD Speed Control Based on Single Neuron

HUANG Ji1, LUO Hang2, GUO Jing3, LI Changhong3,GAO Jia1

(1.Automation Department, Shanxi University, Taiyuan 030002, Shanxi, China;2.No. 96421 Unit of PLA, Baoji 721012, Shaanxi, China;3.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China )

In order to solve the effects when the motor parameters or the load vary to servo system control performance, a single neuron adaptive speed control method is presented for permanent magnet synchronous motor (PMSM). Speed error, first order difference of speed error and second order diffe-rence of speed error are introduced as the input singles of single neuron with weighting coefficients and learning rule designed and the Simulink block diagram for realizing of single neuron offered. In response to a PMSM vector control system, single neuron adaptive PSD speed control simulation is exe-cuted via MATLAB with experiment verification carried out on PMSM test bed. The simulation and experiment results verify the validity of the control method.

permanent magnet synchronous motor, single neuron, vector control, speed control

2016-03-15

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016GY-031)

黃繼(1975—)，男，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)及智能控制技術(shù)研究。E-mail：125457969@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.005

TM921.5

A

1673-6524(2017)02-0020-05