程昭竣,李 姍,陳茂才,曹 陽

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031)

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡稱SRM)因結(jié)構(gòu)堅固、控制簡單、魯棒性高等優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注和研究應(yīng)用，但其運行需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，而位置傳感器的加入會影響其在惡劣工況下的穩(wěn)定性和實用性，因此無位置傳感器控制成為SRM驅(qū)動系統(tǒng)的研究熱點。

目前，SRM無位置傳感器控制方法有多種，常見的有脈沖注入法、電流斜率法、電流波形法、電感法、磁鏈法、觀測器法等。這些方法都能在一定的條件下實現(xiàn)SRM的無位置傳感器控制，同時也受到轉(zhuǎn)速范圍、控制方式、電機(jī)結(jié)構(gòu)等的限制而難以得到實際應(yīng)用。因此SRM無位置傳感器控制仍需要進(jìn)行大量研究工作。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨著控制理論的發(fā)展而日漸成熟，且隨著微電子技術(shù)的發(fā)展在實時控制領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。SRM轉(zhuǎn)子位置與相電流和磁鏈存在一定的非線性關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)為非線性，因此用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠較好地描述這種非線性關(guān)系。國內(nèi)外也有許多文獻(xiàn)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)SRM的無位置傳感器控制。文獻(xiàn)[1-3]分別用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、CMAC(小腦關(guān)節(jié)模型控制器)實現(xiàn)控制；文獻(xiàn)[4]用正弦函數(shù)模擬電感曲線，無需電機(jī)模型，但能力較差；文獻(xiàn)[5]以電流乘磁鏈作輸入，減少層數(shù)、加快計算，在兩相電機(jī)上實現(xiàn)；文獻(xiàn)[6]采用電流波形加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，減少計算；文獻(xiàn)[7]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加多項式濾波，精度提高。

在該領(lǐng)域的研究，國內(nèi)相對較少，也比較基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8-11]分別用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了SRM無位置傳感器控制；文獻(xiàn)[12]采用線性模型加RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高分辨能力。

本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)SRM的位置檢測，并用更高效的方法計算完整位置信息以實現(xiàn)換相，減小系統(tǒng)復(fù)雜度并提高通用性。最后，在三相6/4 SRM樣機(jī)實驗平臺上進(jìn)行理論驗證。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置檢測模型及訓(xùn)練[13]

1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置檢測模型

三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能解決多數(shù)問題[14]。三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，i為電流；ψ為磁鏈；Wkj，Wlk為連接權(quán)值；fK，fL為激活函數(shù)。

圖1 位置檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)包含1個隱含層，其節(jié)點數(shù)n根據(jù)式(1)和訓(xùn)練情況調(diào)整。

(1)

式中：m為輸入層節(jié)點數(shù)；l為輸出層節(jié)點數(shù)；α為1～10之間的常數(shù)。

電流可由電流傳感器采樣得到，磁鏈需要根據(jù)采樣的電壓電流來計算，其計算式：

(2)

式中：u(t)為繞組相電壓；R為繞組電阻。

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練

對三相6/4 SRM，轉(zhuǎn)子位置、電流、磁鏈如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子位置、電流、磁鏈關(guān)系

訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示。

(a) 學(xué)習(xí)結(jié)果

由圖3(a)知，[10°,40°]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算轉(zhuǎn)子位置與實際轉(zhuǎn)子位置較為吻合，電流大時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果好，這是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對中間數(shù)據(jù)效果好。由圖3(b)知，誤差可滿足控制。

2 轉(zhuǎn)子位置計算及方法優(yōu)化[13]

2.1 轉(zhuǎn)子位置計算

以圖3的訓(xùn)練結(jié)果建立SRM樣機(jī)無位置傳感器控制的Simulink仿真模型，在電流斬波控制(CCC)和電壓PWM控制(VPC)和角度位置控制(APC)時，對樣機(jī)的某一相繞組進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置檢測仿真，如圖4所示。

從圖4可以看出，在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，5°～35°時的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測結(jié)果與實際位置的吻合度較好。在導(dǎo)通區(qū)間外，因電流降為零而無法進(jìn)行位置檢測，而不同控制方式和不同轉(zhuǎn)速對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的位置檢測無影響。所以，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)的大部分位置檢測。而要實現(xiàn)無位置傳感器控制，需要完整的轉(zhuǎn)子位置來實現(xiàn)換相，因此還需對圖4的檢測結(jié)果進(jìn)行處理。

(a) CCC.500 r/min.導(dǎo)通區(qū)間[0°,40°]

以APC為例，對三相6/4樣機(jī)仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣機(jī)全繞組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置檢測仿真

對于三相6/4 SRM而言，從理論上計算可得，當(dāng)前相的30°～40°對應(yīng)于下一相的0°～10°。從圖3～圖5可以看出，當(dāng)前相的30°～40°對應(yīng)于下一相約為2.5°～9.5°，誤差較小。所以，可以在30°～40°內(nèi)進(jìn)行換相?？紤]到在高速運行時需要前移關(guān)斷角，因此選擇在30°時進(jìn)行切換。完整轉(zhuǎn)子位置計算流程圖和仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 流程圖

2.2 計算方法優(yōu)化

雖然上述方法能夠得到完整位置計算結(jié)果，但對每一相都進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，計算量很大。

本文進(jìn)行優(yōu)化，只用一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在合適的位置進(jìn)行校正，該方法稱為單網(wǎng)絡(luò)完整位置法，其原理圖如圖7所示。

圖7 單網(wǎng)絡(luò)完整位置法框圖

圖7中，有下式：

(3)

式中：t1，t2為相鄰的θNN=θref時刻。從而可得三相位置角：

(4)

式中：mod(90)表示對90取余。

對單網(wǎng)絡(luò)完整位置法進(jìn)行仿真，得到如圖8所示的仿真結(jié)果。

(a) 實際位置、檢測位置和完整計算位置

由圖8知，30°進(jìn)行校正，θO有微小波動，影響微弱，不會對電機(jī)運行造成影響。因三相6/4 SRM的較優(yōu)導(dǎo)通區(qū)間約為0～40°，因此30°和60°時發(fā)生約2°的角度突變都不會對SRM控制產(chǎn)生影響，而在0左右發(fā)生角度突變，則會產(chǎn)生輕微的影響，比如影響勵磁電流建立的幅值等，但因計算誤差小，所以影響不大。該優(yōu)化方法計算誤差小且計算量小，本文采用該方法進(jìn)行無位置傳感器控制。

3 實驗驗證[13]

與仿真相對應(yīng)，通過實驗進(jìn)行驗證。采樣頻率和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算頻率均為10 kHz，用三相6/4 SRM樣機(jī)，使用ABB變頻器ACS800-11驅(qū)動交流異步電機(jī)作為測功機(jī)。

3.1 CCC時無位置傳感器控制

圖9給出了電機(jī)在CCC，轉(zhuǎn)速500 r/min,負(fù)載6 N·m，導(dǎo)通區(qū)間[0,40°]時的相關(guān)實驗波形。

(a) CCC位置檢測

圖9(a)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置檢測實驗，CH1、CH2、CH3、CH4為電流、磁鏈、計算位置和實際位置， [10°,42°]內(nèi)與實際轉(zhuǎn)子位置吻合度較高。

圖9(b)為完整轉(zhuǎn)子位置計算實驗，CH4、CH2、CH3為電流、計算位置和實際位置，30°時進(jìn)行調(diào)整，完整位置與實際位置有較高吻合度。

圖9(c)為無位置傳感器控制實驗，CH2～CH4為三相電流，CH1為完整計算位置。從圖9中可以看出，在30°時完整計算位置有微小調(diào)整，但對控制無影響，三相電流對稱，能夠?qū)崿F(xiàn)無位置傳感器控制。

3.2 VPC時無位置傳感器控制

圖10給出了電機(jī)在VPC，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，負(fù)載5 N·m、導(dǎo)通區(qū)間[0,40°]時的相關(guān)實驗波形。圖10(a)中CH1、CH2、CH3、CH4為電流、磁鏈、計算位置和實際位置。圖10(b)中CH1為相電流，

(a) VPC位置檢測

CH3為完整計算位置，CH4為實際位置。圖10(c)中CH1～CH3為三相電流，CH4為完整計算位置。

從圖10中可以看出，轉(zhuǎn)子的完整計算位置與實際位置有較高吻合度，且能夠?qū)崿F(xiàn)無位置傳感器控制。

3.3 APC時無位置傳感器控制

圖11給出了電機(jī)在APC，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，負(fù)載5 N·m、導(dǎo)通區(qū)間[-10°,30°]時的相關(guān)實驗波形。圖11(a)中CH1、CH2、CH3、CH4為電流、磁鏈、計算位置和實際位置。圖11(b)中CH2為相電流，CH3為完整計算位置，CH4為實際位置。圖11(c)中CH1～CH3為三相電流，CH4為完整計算位置。

(a) APC位置檢測

從圖11中可以看出，轉(zhuǎn)子的完整計算位置與實際位置有較高吻合度，且能夠?qū)崿F(xiàn)無位置傳感器控制。

4 結(jié) 語

本文建立了SRM的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無位置傳感器控制模型，通過對樣機(jī)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，能夠?qū)崿F(xiàn)樣機(jī)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的檢測，然后采用單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加積分的方法，得到完整周期的轉(zhuǎn)子位置，通過實驗驗證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在SRM轉(zhuǎn)子位置檢測的有效性，并實現(xiàn)了CCC，VPC和APC控制下的SRM無位置傳感器控制。