基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究.doc

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究-電氣論文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 邱祥1，王斌1，王茂祥1，2，李多貴3，朱金榮1 （1.揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225002；2.中國移動通信集團江蘇有限公司，江蘇南京210029； 3.揚州廣播電視總臺技術(shù)傳輸中心，江蘇揚州225009） 摘要：傳統(tǒng)的電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在一些問題，比如轉(zhuǎn)矩脈動較大、磁鏈觀測不精確、開關(guān)頻率不固定等，影響了控制系統(tǒng)整體性能的進一步提升。為此，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，探討采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電壓矢量選擇的功能。該方案采用滯環(huán)比較器對磁鏈進行調(diào)節(jié)并實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，建立了空間電壓矢量選擇的最優(yōu)方式，設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間電壓矢量選擇器結(jié)構(gòu)，提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論取代傳統(tǒng)開關(guān)表的方法。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠有效降低轉(zhuǎn)矩脈動，定子磁鏈軌跡的脈動成分也明顯下降，在低速運行狀態(tài)下同樣取得了較好的效果，表明該系統(tǒng)達到了調(diào)速性能改善和整體性能提升的目的。 關(guān)鍵詞：電動機；直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；優(yōu)化方案 中圖分類號：TN876?34 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）13?0107?03 收稿日期：2015?01?19 基金項目：江蘇省教育廳高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進工程項目（JHB2012?43） 0 引言 目前我國電動機裝機總?cè)萘恳堰_4億kW 以上，年耗電量達1.2萬億kWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%。但是，我國80%以上的電動機產(chǎn)品效率比國外先進水平低2%5%，電動機控制系統(tǒng)效率比國外先進水平低10%20%。因此，如何有效改進我國電動機系統(tǒng)功能、提升其運行效率顯得尤其重要。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對異步電動機的變頻調(diào)速技術(shù)有了較大推動作用，先后經(jīng)歷了電壓頻率協(xié)調(diào)控制1?2、轉(zhuǎn)差頻率控制3?4、矢量控制5?6及直接轉(zhuǎn)矩控制7?8等階段。 此外，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制理論的快速發(fā)展，其在調(diào)速系統(tǒng)中也逐步被嘗試和應(yīng)用。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有無參數(shù)化、實施簡單、工程性強、容錯能力強、自組織與自學(xué)習(xí)等優(yōu)點。本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，利用其較高的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，對傳統(tǒng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進行了改進，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)改進方案，即利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和函數(shù)逼近能力對開關(guān)表、定子磁鏈觀測模型以及速度閉環(huán)控制進行優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動較大、磁鏈觀測不精確、開關(guān)頻率不固定等問題，有效提升了電動機控制系統(tǒng)的性能。 1 系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計 德國魯爾大學(xué)學(xué)者M.Depenbrock于1985年率先提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，并在1987 年推廣到弱磁調(diào)速范圍。該控制理論控制定子磁鏈沿六邊形軌跡運動。此后，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不斷得以優(yōu)化和提高。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)進入實際應(yīng)用階段。 在實際控制中，直接測量電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈在制造工藝和測量技術(shù)上都有很大的困難，測量誤差很大。 通常在電動機調(diào)速系統(tǒng)中較為容易獲得定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參量，因此在實際測量中一般采用間接觀測方法，即建立一個轉(zhuǎn)矩和磁鏈的觀測模型，根據(jù)相關(guān)參量來計算得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實時值9。本文在研究直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理和定子磁鏈觀測模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，如圖1所示，并給出了磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的具體方法，以及控制系統(tǒng)空間電壓矢量的具體選擇方法。 本優(yōu)化方案中的近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)方式控制，外環(huán)為速度閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，通過3/2坐標(biāo)變換將采集到的電動機三相電壓電流信號變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，得到磁鏈觀測及轉(zhuǎn)矩觀測的相關(guān)輸入?yún)?shù)，再通過相關(guān)觀測模型、磁鏈位置計算以及滯環(huán)比較器等，共得到三個輸出量：磁鏈響應(yīng)信號、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)信號以及扇區(qū)號，從而根據(jù)開關(guān)表得到相應(yīng)的逆變器輸出電壓開關(guān)信號實現(xiàn)對異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制，提高電動機性能。 此外，考慮到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強大功能，嘗試采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電壓矢量選擇的功能，設(shè)計三層前向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出（神經(jīng)元個數(shù)可為3），進行電壓矢量選擇器模型的重構(gòu)。設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間電壓矢量選擇器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在該優(yōu)化方案中，可將Q，TQ 和Sn 作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號，功率管的控制信號Sa，Sb和Sc作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。 2 系統(tǒng)主要模塊分析 2.1 磁鏈調(diào)節(jié)模塊分析 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈控制采用bang?bang 控制，因此磁鏈的動態(tài)響應(yīng)很快。本方案采用滯環(huán)比較器對磁鏈進行調(diào)節(jié)，其實際上是一個施密特觸發(fā)器，對磁鏈幅值進行兩點式調(diào)節(jié)，其輸入為定子磁鏈給定值| | s*與反饋值| | s 這二者的差值s ，輸出為磁鏈響應(yīng)信號Q 。該比較器的容差寬度為 ，具體的輸入輸出關(guān)系見表1。 2.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模塊分析 本方案中，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)也采用滯環(huán)比較器實現(xiàn)，但是與磁鏈調(diào)節(jié)不同的是其增加了零矢量，采用了三點式調(diào)節(jié)來降低轉(zhuǎn)矩中的脈動成分，調(diào)高系統(tǒng)控制性能。其輸入為給定轉(zhuǎn)矩Te* 和反饋轉(zhuǎn)矩Te 的差值Te，輸出為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)信號TQ。該比較器的容差寬度為T，具體的輸入輸出關(guān)系見表2。 2.3 空間電壓矢量的選擇分析 在近似圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制中，功率管的開關(guān)頻率相