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        電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建與SRM轉(zhuǎn)矩控制

        2018-04-26 12:45:17黨選舉陳恩普伍錫如彭慧敏
        微特電機 2018年4期
        關(guān)鍵詞:相電流脈動轉(zhuǎn)矩

        黨選舉,陳恩普,姜 輝,伍錫如,彭慧敏

        (桂林電子科技大學(xué),桂林 541004)

        0 引 言

        開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便以及可靠性高等優(yōu)點,適合用于新能源電動汽車動力系統(tǒng)[1-3]。然而,由于SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)以及開關(guān)式的控制方式,導(dǎo)致其電磁特性的高度非線性和強耦合性,造成SRM運行時尤其是低速運行時存在轉(zhuǎn)矩脈動較大的問題。動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動會導(dǎo)致車輛的噪聲問題以及特定頻率下的諧振問題,這些缺點阻礙了SRM在小型電動汽車上的應(yīng)用。目前,抑制轉(zhuǎn)矩脈動主要方法有兩類:一類是從電機設(shè)計的角度,改進(jìn)電機的結(jié)構(gòu);另一類是從控制策略的角度,設(shè)計更合適的控制方案[4]。在改進(jìn)電機結(jié)構(gòu)方面,文獻(xiàn)[5]考慮到兩相SRM轉(zhuǎn)矩死區(qū)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩脈動,提出了一種兩相4/3極電機結(jié)構(gòu)克服此問題;文獻(xiàn)[6]提出一種在轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)開槽的方法,改變電機磁場分布,達(dá)到抑制SRM轉(zhuǎn)矩的目的。在控制策略方面,改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)(以下簡稱TSF)控制應(yīng)用廣泛[7-9],文獻(xiàn)[7]考慮到SRM的強非線性,舍棄固定的TSF,以相電流平方最小為目標(biāo)不斷優(yōu)化TSF函數(shù);文獻(xiàn)[8]考慮到電機磁場高度磁飽和性,提出了一種優(yōu)化相電流曲線的方法,降低了轉(zhuǎn)矩脈動,同時減小了換相時的功率損耗;文獻(xiàn)[9]采用模糊邏輯控制不斷調(diào)整TSF,以抵消拖尾電流的影響,從而降低轉(zhuǎn)矩脈動。

        文獻(xiàn)[7-9]中的TSF控制均有參考相轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成相電流的環(huán)節(jié),本質(zhì)上是對電流的分配。轉(zhuǎn)矩-電流轉(zhuǎn)換有兩種方法:一種方法是查表法,但是表格不易獲取且占用大量系統(tǒng)資源;另一種是數(shù)學(xué)計算的方法,通常計算復(fù)雜或者結(jié)果不精確。文獻(xiàn)[10]采用交流電動機坐標(biāo)變換的方法,將SRM的給定電流進(jìn)行坐標(biāo)變換,然后再進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算,可以獲得SRM各相的參考控制電流。

        本文借鑒文獻(xiàn)[10]中不經(jīng)過轉(zhuǎn)矩-電流轉(zhuǎn)換而直接獲取參考相電流的方法,考慮到SRM運行時相電流平方之和與轉(zhuǎn)子位置角的周期性關(guān)系,提出了電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,直接由轉(zhuǎn)子位置角計算相電流平方之和。參考TSF控制的分配方法,設(shè)計電流分配函數(shù)計算參考相電流。仿真結(jié)果表明,本文的方案能有效地降低SRM轉(zhuǎn)矩脈動。

        1 電流-位置模型構(gòu)建

        1.1 基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的控制系統(tǒng)

        SRM傳統(tǒng)TSF控制框圖如圖1(a)所示。期望轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)矩分配得到各相的參考轉(zhuǎn)矩,參考轉(zhuǎn)矩經(jīng)過轉(zhuǎn)矩-電流轉(zhuǎn)換得到各相參考電流,再通過電流滯環(huán)控制功率變換器件通斷進(jìn)而驅(qū)動電機。

        由于SRM非線性嚴(yán)重,無法用解析方法表示轉(zhuǎn)矩-電流模型[10],TSF控制通常采用簡化的線性轉(zhuǎn)矩-電流模型計算參考相電流[11],但簡化模型不能精確描述電機轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系,導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能得到準(zhǔn)確的參考相電流。為了解決此問題,該文從電流-位置的關(guān)系出發(fā),提出了基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的控制系統(tǒng),整體框圖如圖1(b)所示。相電流平方之和由電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到,其分配后得到各相參考電流,再通過電流滯環(huán)控制功率變換器件通斷進(jìn)而驅(qū)動電機。

        (a) 傳統(tǒng)TSF控制框圖

        (b) 基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的控制框圖

        1.2 相電流平方之和與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

        SRM磁通遵循沿著磁阻最小路徑閉合的原理,產(chǎn)生磁拉力形式轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩的大小與相電感、相電流和轉(zhuǎn)子位置角有關(guān),SRM電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型可簡化[12]:

        (1)

        式中:Tk為k相電磁轉(zhuǎn)矩的值;Lk為k相電感的值;ik為k相電流的值;θ為電機轉(zhuǎn)子位置角。

        選擇合適的開通關(guān)斷角,在SRM磁路未達(dá)到飽和時,相電感與轉(zhuǎn)子位置角近似為線性關(guān)系[13],電感變化率可近似為常數(shù)K。式(1)可以寫成:

        (2)

        即:

        (3)

        式(2)和式(3)中:T為SRM的輸出電磁轉(zhuǎn)矩。

        由式(3)可知,相電流平方之和與輸出電磁轉(zhuǎn)矩有線性對應(yīng)關(guān)系。

        1.3 電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

        以SRM某相導(dǎo)通至其鄰相導(dǎo)通為一個運行區(qū)間,將電機劃分為不同的運行區(qū)間。如圖2所示,θ1~θ2為一個運行區(qū)間,θ2~θ3為下一個運行區(qū)間。

        圖2 運行區(qū)間劃分示意圖

        SRM不同區(qū)間運行狀態(tài)相同只是通斷的相不同,也就是說各個區(qū)間相電流波形是相同的。因此,SRM運行時相電流平方之和I2與轉(zhuǎn)子位置角θ呈周期函數(shù)關(guān)系。

        實現(xiàn)文獻(xiàn)[14]提出的算法,得到如圖3所示的12/8極SRMθ-I2圖。圖3中各周期的波形與高斯函數(shù)接近,驗證了相電流平方之和與轉(zhuǎn)子位置角呈周期性關(guān)系。

        圖3 文獻(xiàn)[14]控制方法θ-I2關(guān)系

        利用相電流平方之和與轉(zhuǎn)子位置角所表現(xiàn)出的周期關(guān)系,構(gòu)建電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。由式(3)可知,在電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中,可以直接采用轉(zhuǎn)矩偏差學(xué)習(xí)得到相電流平方之和。為提高計算速度并減小計算量,根據(jù)圖3中各周期的波形與高斯函數(shù)接近的特點,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激勵函數(shù)選用高斯基函數(shù)。電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實現(xiàn)原理如圖4所示。

        圖4 電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實現(xiàn)原理

        圖4中,電流-位置模型輸出的相電流平方之和通過控制器轉(zhuǎn)換為控制信號來控制SRM;期望轉(zhuǎn)矩與參考電磁轉(zhuǎn)矩之差作為誤差信號來學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

        圖5為電流-位置RBF(高斯函數(shù))神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

        圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        圖5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)間關(guān)系如下:

        (4)

        (5)

        式中:ci為節(jié)點的中心;bi為節(jié)點的基參數(shù)。

        誤差定義:

        (6)

        式中:Td為期望轉(zhuǎn)矩;Tref為參考電磁轉(zhuǎn)矩;T為SRM的輸出電磁轉(zhuǎn)矩。

        根據(jù)梯度下降法,權(quán)值、節(jié)點中心及節(jié)點基寬參數(shù)的迭代算法:

        ηΔT(k)hi(k)

        (7)

        wi(k+1)=wi(k)+Δwi(k)+α[wi(k)-wi(k-1)]

        (8)

        (9)

        bi(k+1)=bi(k)+Δbi(k)+α[bi(k)-bi(k-1)]

        (10)

        (11)

        ci(k+1)=ci(k)+Δci(k)+α[ci(k)-ci(k-1)]

        (12)

        式(7)~式(12)中:η為學(xué)習(xí)速率;α為動量因子。

        本文通過轉(zhuǎn)矩誤差學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值不斷調(diào)整,間接使電感變化率K的值也不斷調(diào)整,從而避免了因假設(shè)相電流平方之和與轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系給模型帶來的誤差。

        2 電流環(huán)設(shè)計

        2.1 電流分配

        典型的分配函數(shù)有直線型、指數(shù)型、正弦型、立方型4種[16]。參考文獻(xiàn)[16],選擇正弦型分配函數(shù)作為電流分配函數(shù)。正弦型電流分配函數(shù)如下:

        (13)

        式中:fk(θ)為第k相的電流分配函數(shù);θon為開通角;θov為相電流重疊角;θoff為導(dǎo)通相電流減小的起始角;τr為周期角。

        (14)

        2.2 分區(qū)細(xì)化的電流滯環(huán)控制器

        本文采用文獻(xiàn)[12]提出的分區(qū)細(xì)化的電流滯環(huán)控制器。在傳統(tǒng)電流滯環(huán)控制僅控制功率器件處于1(開)和-1(關(guān))兩種狀態(tài)的基礎(chǔ)上增加了0(續(xù)流)狀態(tài)。在SRM單相導(dǎo)通區(qū)和開通區(qū),當(dāng)電流偏差小于閾值|ΔImax|時,開關(guān)狀態(tài)為0。

        3 仿真結(jié)果與分析

        為了驗證所提出控制方法的正確性,在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真研究。模型采用Simulink模型庫中12/8極非線性SRM模型[17]。表1為電機的主要參數(shù)。

        表1 電機的主要參數(shù)

        為便于仿真結(jié)果的分析,將轉(zhuǎn)矩脈動量化。定義轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)Kt[18]:

        (15)

        式中:Tmax,Tmin,Tav分別為電機達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的最大電磁轉(zhuǎn)矩、最小電磁轉(zhuǎn)矩和平均電磁轉(zhuǎn)矩。

        為了驗證基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的控制效果,將其與SRM傳統(tǒng)TSF控制比較,仿真實驗中,期望轉(zhuǎn)矩均設(shè)定為5 N·m,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.8 N·m。傳統(tǒng)TSF控制仿真結(jié)果如圖6所示,其穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為45.44%?;陔娏?位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的控制方法仿真結(jié)果如圖7所示,其穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為3.15%。從轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)上看,本文的控制方法能有效地降低SRM的轉(zhuǎn)矩脈動。

        (a) 轉(zhuǎn)矩

        (b) 電流

        圖6Td=5 N·m時傳統(tǒng)TSF控制的仿真情況

        (a) 轉(zhuǎn)矩

        (b) 電流

        圖7Td=5 N·m時基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真情況

        由于采用線性轉(zhuǎn)矩-電流模型,傳統(tǒng)TSF控制本質(zhì)上是對恒定的相電流平方之和分配,所以三相電流波形為圖6(b)的分配函數(shù)的波形。本文的控制方法利用了轉(zhuǎn)子位置角與相電流平方之和的周期關(guān)系,優(yōu)化了相電流平方之和,其分配后的波形如圖7(b)所示。

        為了驗證算法在不同轉(zhuǎn)矩下的控制效果,采用不同負(fù)載進(jìn)行仿真實驗。圖8中,期望轉(zhuǎn)矩設(shè)定為8 N·m,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為7.8 N·m,其穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為4.21%。圖9中,期望轉(zhuǎn)矩為10 N·m,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為9.8 N·m,其穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為3.90%。圖7~圖9的仿真結(jié)果結(jié)合轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)說明,本文的控制方法適用于多種負(fù)載狀況,電流波形證明所提出電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能有效優(yōu)化相電流。

        (a) 轉(zhuǎn)矩

        (b) 電流

        圖8Td=8 N·m時基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真情況

        (a) 轉(zhuǎn)矩

        (b) 電流

        圖9Td=10 N·m時基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真情況

        圖10中,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.8 N·m,期望轉(zhuǎn)矩在0.4s由5N·m突變?yōu)?N·m;0.45s突變?yōu)?N·m。仿真結(jié)果表明,輸出轉(zhuǎn)矩能快速地跟蹤給定值,說明所設(shè)計的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較快。

        圖10 SRM期望轉(zhuǎn)矩階躍變化系統(tǒng)響應(yīng)曲線

        為了檢驗在不同電流下的控制效果,將電感變化率近似處理為常數(shù)K。采用不同的電流值進(jìn)行仿真實驗,仿真結(jié)果如表2所示,電流覆蓋了從10 A~40 A的范圍。從表2中可知,在一定的電流范圍內(nèi)將電感變化率進(jìn)行近似處理,對SRM控制效果的影響較小,說明了本文控制方法的有效性。

        表2 基于電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的SRM仿真結(jié)果

        表2中,Td為期望轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Imax為相電流最大值;Kt為轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為24.8 N·m,相電流達(dá)到52 A時,電機磁路飽和,導(dǎo)致?lián)Q相紊亂,使電機不可控。

        4 結(jié) 語

        本文根據(jù)SRM相電流平方之和與轉(zhuǎn)子位置角所表現(xiàn)出的周期性關(guān)系,提出了電流-位置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,直接由轉(zhuǎn)子位置角計算相電流平方之和。再通過分配函數(shù)得到參考相電流。本方法的優(yōu)勢可以歸納為以下幾點:

        1) 控制方案中沒有復(fù)雜的轉(zhuǎn)矩-電流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),在提升控制效果的同時,簡化了控制過程,使算法具有較強的實用性。

        2) 在沒有利用電機模型信息的前提下,實現(xiàn)了SRM的有效控制,消除了控制系統(tǒng)設(shè)計對模型的依賴性。

        3) 仿真結(jié)果顯示,本方法在一定電流范圍內(nèi)能有效抑制SRM轉(zhuǎn)矩脈動,是一種切實有效的控制方法。

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