趙君, 劉衛(wèi)國(guó), 駱光照, 張文婧
(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,陜西西安710072)
永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor,PMSM)因具有體積小、運(yùn)行可靠、能量轉(zhuǎn)換效率高、調(diào)速范圍廣、動(dòng)靜態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種伺服控制系統(tǒng)中。解耦控制是實(shí)現(xiàn)PMSM高性能動(dòng)靜態(tài)特性的關(guān)鍵,目前常用的解耦控制方法有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、逆系統(tǒng)線性解耦控制等方法,但是大多數(shù)永磁同步電機(jī)控制方法需要依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型,因此在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其改進(jìn)方法等傳統(tǒng)理論在系統(tǒng)建模方面已取得了較好的進(jìn)展,它可以不考慮電機(jī)的部件特性,可以直接從系統(tǒng)整體上進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí),是一種較為可行的建模和辨識(shí)方方法,文獻(xiàn)[1-4]是國(guó)內(nèi)外學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制理論在感應(yīng)電機(jī)中應(yīng)用的成果,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆系統(tǒng)控制方法[5-6]克服了大多數(shù)控制方法依賴精確數(shù)學(xué)模型的缺點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)一般非線性系統(tǒng)的線性化解耦控制,并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn),文獻(xiàn)[7-8]為工程上實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制提供了解決途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制思路為,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)造原系統(tǒng)的“逆系統(tǒng)”,將對(duì)象補(bǔ)償為具有線性傳遞關(guān)系及被解耦的一種規(guī)范化系統(tǒng),在分別對(duì)各解耦子系統(tǒng)設(shè)計(jì)線性閉環(huán)控制器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原線性耦合系統(tǒng)的高性能控制[9-14]。本文針對(duì)PMSM轉(zhuǎn)速和定子電流之間的耦合特性,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)代替解析逆系統(tǒng),將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性逼近能力與逆系統(tǒng)線性化解耦特點(diǎn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的解耦控制,提高永磁同步電機(jī)的魯棒性與動(dòng)靜態(tài)性能。
為了便于分析PMSM同時(shí)便于證明系統(tǒng)可逆性,這里采用d-q軸數(shù)學(xué)模型,它不僅可以用于分析PMSM的穩(wěn)態(tài)特性,也可以用于分析其瞬態(tài)特性。為建立PMSM的d-q軸模型,做如下假設(shè):①忽略空間諧波,設(shè)三相繞組在空間上對(duì)稱放置,所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周呈正弦分布;②忽略電機(jī)鐵心非線性飽和影響,認(rèn)為繞組自感和互感恒定;③忽略鐵心損耗;④不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響;⑤忽略轉(zhuǎn)子的阻尼繞組[15-16]。
永磁同步電機(jī)在d-q軸坐標(biāo)系下,電壓方程模型可表述為
轉(zhuǎn)矩方程為
運(yùn)動(dòng)方程為
式(1)~式(3)中,ωr為電機(jī)電氣速度,ω為電機(jī)機(jī)械角速度,且滿足ωr=pω,p為微分算子;ud和uq分別為永磁同步電機(jī)d-q軸電壓;id和iq分別為永磁同步電機(jī)d-q軸電流;R為繞組內(nèi)阻;Ld和Lq為d-q軸電感;ψd和 ψq為 d-q軸磁鏈;ψf電機(jī)永磁體磁鏈;P為電機(jī)極對(duì)數(shù);Te、TL、F和J分別為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
可得,PMSM在d-q軸坐標(biāo)系下的微分方程可以表述為
由以上推導(dǎo)可知,PMSM可以等價(jià)為一個(gè)兩輸入兩輸出的三階非線性系統(tǒng),對(duì)于該MIMO系統(tǒng)可以采用Interactor算法進(jìn)行可逆性證明[15],通過(guò)對(duì)輸出變量y求時(shí)間導(dǎo)數(shù),直到在y的n階導(dǎo)數(shù)中首次出現(xiàn)輸入量u,則
可以看出對(duì)于輸出變量y1,y′1首次包含輸入變量u,則停止求導(dǎo)。令Y1=y′1,則Y1對(duì)輸入u的雅可比矩陣可以表述為
繼續(xù)對(duì)輸出變量2求導(dǎo)可得
由式(7)可知y′2中不包含輸入變量 u,因此繼續(xù)對(duì) y′2求導(dǎo),可得
由式(9)可的其行列式的值為
令[ψ′sω″]=[υ1υ2],且由式(5)與式(8)解得永磁同步電機(jī)狀態(tài)反饋系統(tǒng)的解析逆表達(dá)式為
所以逆系統(tǒng)可以表示為
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦,通常采用由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和若干積分器組成的動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造連續(xù)系統(tǒng)的逆系統(tǒng)[17-20],并對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行線性化與解耦。由以上分析可知,永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有可逆性,且具有完備的相對(duì)階,因此選擇輸入積分實(shí)現(xiàn)方式對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行解耦控制。將逆系統(tǒng)與永磁同步電機(jī)系統(tǒng)復(fù)合成兩個(gè)偽線性系統(tǒng),如圖1所示,包括具有二階積分關(guān)系的轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)與具有一階線性積分關(guān)系的磁鏈子系統(tǒng),因此實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸入輸出線性化解耦[15]。
圖1 PMSM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Control structure of PMSM based on ANN inverse system
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中,使用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)用于非線性映射的逼近。本文采用了BP神經(jīng)網(wǎng)進(jìn)行非線性逼近,該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)輸入層、一個(gè)隱含層和一個(gè)輸出層。由于PMSM在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為三階系統(tǒng),因此輸入層控制量為{usd,usq},輸出層變量為{ψs,ω}。本文靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層神經(jīng)元選用tansig函數(shù),則第i個(gè)隱層神經(jīng)元的輸出可以表述為
其中n為隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)。根據(jù)Kolmogorov定理,本文選取隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為12,輸出層函數(shù)選取purelin純線性傳遞函數(shù),可知該三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意精度的非線性映射。為提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力,將輸入輸出變量信號(hào)進(jìn)行歸一化處理,使輸出輸出信號(hào)具有相同的數(shù)值范圍,本文所采用的歸一化原則為
圖2為本文構(gòu)造出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖2 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Radical structure of BP network
PMSM逆系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的輸入變量為{ψs,ψ′s,ω,ω′,ω″}及兩個(gè)輸出變量{usd,usq},本文的訓(xùn)練數(shù)據(jù)由解析逆解耦控制通過(guò)dSPACE半物理仿真平臺(tái)統(tǒng)獲得。
為保證模型具有較強(qiáng)的泛化能力,磁鏈與轉(zhuǎn)速輸入給定應(yīng)為正太分布的隨機(jī)量,且仿真過(guò)程對(duì)于每一個(gè)磁鏈與轉(zhuǎn)速的參數(shù)組合仿真持續(xù)時(shí)間為3 s,采樣頻率200 Hz,以保證數(shù)據(jù)中包含足夠的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)信息,然后對(duì)樣本進(jìn)行歸一化處理,選取其中的2/3的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本集,剩余數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本集,用于檢驗(yàn)?zāi)P偷姆夯芰Α?/p>
本文采用圖2中設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu),采用BP算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,離線訓(xùn)練736步后,網(wǎng)絡(luò)輸出均方根誤差達(dá)到目標(biāo)值1×10-5,使用檢驗(yàn)樣本集數(shù)據(jù)對(duì)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn),輸出預(yù)測(cè)精度良好。但是,由于BP神經(jīng)網(wǎng)存在陷入局部極小,初值選取與隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)選取等問(wèn)題,本文在采用其他參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離線訓(xùn)練時(shí),出現(xiàn)了模型泛化能力差或訓(xùn)練不收斂現(xiàn)象,針對(duì)此類問(wèn)題的解決方法,本文不進(jìn)行深入分析。
本文實(shí)現(xiàn)了PMSM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三階逆模型構(gòu)造,由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆和PMSM模型構(gòu)成的偽線性系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制效果是不理想的,因此本文采用PID控制器對(duì)該偽線性系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制,控制原理如圖3所示。
圖3 PMSM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Control diagram of PMSM based on ANN inverse system algorithm
本文仿真試驗(yàn)通過(guò)構(gòu)建dSPACE半物理仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn),該仿真平臺(tái)分為3部分:dSPACE半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、外圍傳感器及測(cè)試設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)與Matlab/SIMULINK的無(wú)縫連接,將基于SIMULINK的圖形化實(shí)時(shí)控制模型直接編譯、下載到目標(biāo)控制器,實(shí)現(xiàn)控制器的快速原型設(shè)計(jì)。同時(shí),借助Control desk及MLIB/MTRACE等實(shí)驗(yàn)軟件,編輯可視化操作界面,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確捕獲、存儲(chǔ)及在線處理。本文構(gòu)建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)采用矢量控制方法實(shí)現(xiàn)PMSM控制,采用磁鏈觀測(cè)電流模型[21]基于dSPACE系統(tǒng)完成磁鏈觀測(cè),實(shí)驗(yàn)過(guò)程參數(shù)顯示通過(guò)Control desk圖形界面完成顯示功能。
圖4 dSPACE半物理仿真平臺(tái)Fig.4 dSPACE simulation platform of PMSM
利用圖4建立的dSPACE半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),PMSM參數(shù)為:額定功率PN=0.75 kW,額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min,極對(duì)數(shù)P=4,靜態(tài)測(cè)量電感、電阻參數(shù)為 Ld=Lq=9.8 mH,R=1.47 Ω。首先,對(duì)PMSM的解析逆控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中永磁同步電機(jī)工作在額定參數(shù)下,轉(zhuǎn)速給定階躍變化,利用Magtrol加載臺(tái)為系統(tǒng)提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩,磁鏈給定0.7 Wb,負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為1 N·m,PMSM轉(zhuǎn)速與定子磁鏈曲線如圖5所示,磁鏈給定階躍變化,轉(zhuǎn)速給定1 200 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為1 N·m,PMSM轉(zhuǎn)速與定子磁鏈曲線如圖6所示。
由圖5可以看出,負(fù)載恒定轉(zhuǎn)速變化時(shí),解析逆控制與神經(jīng)網(wǎng)逆控制方法均可以保證系統(tǒng)磁鏈輸出穩(wěn)定,可以說(shuō)明采用解析逆控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性基本一致。
為進(jìn)一步證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法的有效性,將系統(tǒng)磁鏈與轉(zhuǎn)速給定同時(shí)變化,在系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋為1 200 r/min,磁鏈反饋為0.35 Wb穩(wěn)定運(yùn)行5 min后,通過(guò)Dspace的Control desk將轉(zhuǎn)速與磁鏈給定設(shè)置為250 r/min與0.85 Wb,圖6為該實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速與磁鏈反饋出現(xiàn)了超調(diào),穩(wěn)態(tài)過(guò)程磁鏈和轉(zhuǎn)速達(dá)到了控制要求,調(diào)節(jié)時(shí)間小于800 ms,因此證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制方法可以滿足大多數(shù)PMSM控制領(lǐng)域應(yīng)用。
為驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性,圖7給出了負(fù)載變化時(shí)定子磁鏈和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線。給定轉(zhuǎn)速(1 200 r/min)與磁鏈(0.45 Wb),當(dāng)負(fù)載由0.3 N·m突變到1 N·m,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制方法,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線存在小范圍調(diào)整,定子磁鏈?zhǔn)艿降挠绊戄^小。
圖5 恒磁鏈解耦控制特性比較Fig.5 Performance of decoupling control with constant magnetic flux linkage
圖6 解耦控制特性Fig.6 Performance of decoupling control
圖7 負(fù)載突變系統(tǒng)解耦控制特性Fig.7 Performance of decoupling control with load variation
本文基于dSPACE系統(tǒng)構(gòu)建半物理仿真平臺(tái),將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制方法應(yīng)用于PMSM解耦控制中,將具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性特點(diǎn)的PMSM,動(dòng)態(tài)解耦成二階線性轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和一階線性定子磁鏈子系統(tǒng),采用傳統(tǒng)的PID控制器對(duì)兩個(gè)偽線性子系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和定子磁鏈的動(dòng)態(tài)解耦,實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。在負(fù)載突變及周期性變化的工況下,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與磁鏈仍具有較好的魯棒性與穩(wěn)定性,證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制用于非線性系統(tǒng)是可行的,為永磁同步電機(jī)的解耦控制提供了一種新途徑。
[1] MARINO P,MILANO M,VASCA F.Linear quadratic state feedback and robust neural network estimator for field-oriented-controlled induction motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronic,1999,46(1):150 -161.
[2] DAI X,HE D,ZHANG X,et al.MIMO system invertibility and decoupling control strategies based on ANNαth-order inversion[J].IEE Proceedings-Control Theory Applications,2001,148(2):125-136.
[3] 張興華,戴先中.基于逆系統(tǒng)方法的感應(yīng)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)[J].控制與決策,2000,15(6):708 -711.
ZHANG Xinghua,DAI Xianzhong.Speed control system of induction motor based on inverse system method[J].Control and Decision,2000,15(6):708 -711.
[4] BRDYS M A,KULAWSK G J.Dynamic neural controllers for induction motor[J].IEEE Transactions on Neural Networks,1999,10(2):340-355.
[5] 戴先中,劉軍,馮純伯.連續(xù)非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆系統(tǒng)控制方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),1998,24(4):463-468.
DAI Xianzhong,LIU Jun,F(xiàn)ENG Chunbo.Neural network αth -order inverse system control method for nonlinear continuous system[J].Acta Automatica Sinica,1998,24(4):463 -468.
[6] 戴先中,張興華,劉國(guó)海.感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)線性化解耦控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(1):112-117.
DAI Xianzhong,ZHANG Xinghua,LIU Guohai.Decouping control of induction motor based on neural networks inverse[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(1):112 -117.
[7] HUANG Changchiun,TANG Tsanntay.Spinline tension control in melt spinning by discrete adaptive sliding-mode controllers[J].Journal of Applied Polymer Science,2006,100(5):3816-3821.
[8] CHE Yanbo,SHA Lin,CHENG K W E.Variable gain intelligent control of multi-motor synchronizations system[C]//2nd International Conference on Power Electronics Systems and Applications,November 14-16,2006,Hong Kong,China.2006:68-72.
[9] BOUAFIA A,GAUBERT JP,KRIM F.Analysis and design of new switching table for direct power control of three-phase PWM rectifier[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2008,78(1):703-709.
[10] BAKTASH A,VAHEDI A,MASOUM M A S.Improved switching table for direct power control of three-phase PWM rectifier[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2008,78(1):1-5.
[11] WOON K N,BEI G.Feedback-linearization-based nonlinear control for PEM fuel cells[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(1):179 -189.
[12] 劉賢興,卜言柱,胡育文,等.基于精確線性化解耦的永磁同步電機(jī)空間矢量調(diào)制系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(30):54-59.
LIU Xianxing,BU Yanzhu,HU Yuwen,et al.Space vector modulation system for permanent magnet synchronous motor based on precision linearization decoupling[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(30):54-59.
[13] 孟昭軍,孫昌志,安躍軍.基于時(shí)間延遲狀態(tài)反饋精確線性化的PMSM混沌反控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(3):27-31.
MENG Zhaojun,SUN Changzhi,AN Yuejun.Chaos anti-control of permanent magnet synchronous motor based on exact linearization via time-delayed state variable feedback[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(3):27 -31.
[14] 郭家虎,張魯華,蔡旭.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的精確線性化解耦控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009,13(1):57 -62.
GUO Jiahu,ZHANG Luhua,CAI Xu.Exact linearization control scheme of DFIG[J].Electric Machines and Control,2009,13(1):57-62.
[15] 戴先中.多變量非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制方法[M].北京:科學(xué)出版社,2005:1-159.
[16] 周開(kāi)利,康耀紅.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其MATLAB仿真程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-137.
[17] 石峰,查曉明.應(yīng)用微分幾何理論的三相并聯(lián)型有源電力濾波器解耦控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(15):92 -97.
SHI Feng,ZHA Xiaoming.Decoupled control of the shunt threephase active power filter applying differential geometry theory[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(15):92 -97.
[18] 劉賢興,胡育文.永磁同步電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆動(dòng)態(tài)解耦控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(27):72 -76.
LIU Xianxing,HU Yuwen.Dynamic decoupling control of PMSM based on neural network inverse method[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(27):72-76.
[19] LIN Faajeng,SU Homing.A high-performance induction motor drive with on-line rotor time - constant estimation[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,1997,12(4):297 -303.
[20] TAJIMA Hirokazu,GUIDI Giuseppe,UMIDA Hidetoshi.Consideration about problems and solutions of speed estimation method and parameter tuning for speed-sensorless vector control of induction motor drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38(5):1282 -1289.
[21] BOSE B K.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:270 -350.