專利名稱：無刷直流電機神經網絡逆控制器及構造方法
技術領域：
本發明涉及一種無刷直流電機控制器及其構造方法，適用于無刷直流電機的高性能調 速應用，屬于電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
目前，由于電力電子器件價格的逐步降低，同時高性能的永磁材料不斷出現，工業生 產中大量使用永磁無刷直流電機取代結構復雜且存在換向問題的直流電機。無刷直流電機 具有于直流電機的機械特性，同時結構簡單運行穩定，無需電刷換向，適用于各種工況。 但是由于電機運行中參數攝動和換相過程造成電磁轉矩脈動限制了其調速性能。作為一復 雜的多變量非線性系統，無刷直流電機采用傳統的類似直流電機的PID控制策略很難滿足 高性能調速的需要，因為PID參數的整定值是一定范圍內的優化值，而不是全局性的最優 值，從根本上不能在較寬的范圍內得到好的動態性能和穩態精度，同時作為一種線性控制 策略，PID控制對非線性程度較高的系統難以較好控制，這是一個亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種既可改善無刷直流電機對參數變化以及擾動的適應性、魯棒 性，同時又能有效地提高各項控制性能指標，如動態響應速度、穩態跟蹤精度的神經網絡 逆控制器。
本發明的另一目的是提供無刷直流電機的神經網絡逆控制器的構造方法。
本發明無刷直流電機神經網絡逆控制器采用的技術方案是包括含降壓斬波變換器的 逆變橋連接無刷直流電機、神經網絡逆與線性閉環控制器相連接，將所述的神經網絡逆與 線性閉環控制器相串接形成無刷直流電機神經網絡逆控制器，其中神經網絡逆用靜態人工 神經網絡加2個積分環節構成，線性閉環控制器為速度控制器，由線性系統的設計方法對 偽線性系統分別作出；偽線性系統為速度子系統，無刷直流電機調速系統由逆變橋、無刷 直流電機及負載作為一個整體組成，神經網絡逆和無刷直流電機調速系統共同復合組成等 效的偽線性系統。
本發明無刷直流電機的神經網絡逆控制器的構造方法采用的技術方案是依次包括如 下步驟①組成無刷直流電機調速調速系統；②作整個無刷直流電機調速調速系統的等效， 輸入變量為無刷直流電機調速系統控制器的占空比，輸出變量為電機的實際轉速，通過分 析和推導可得到整個無刷直流電機調速調速系統的數學模型為二階微分方程，速度相對階 數為二階，定其逆系統的輸入變量為轉速，轉速的一階導數以及二階導數，輸出變量為無刷直流電機調速調速系統的為占空比；③設計負載轉矩觀測器為降維觀測器；④構造神經 網絡逆；⑤將階階躍激勵信號加到無刷直流電機調速調速系統輸入端；采集激勵信號和實 際轉速；對得到的實際轉速信號進行離線求一階導數以及二階導數，同時通過負載轉矩觀 測器的觀測值，用構成的訓練樣本集對靜態人工神經網絡進行訓練，確定靜態人工神經網 絡的各個權系數；⑥形成速度子系統；@作出線性閉環控制器后與神經網絡廣義逆相串接 構成無刷直流電機神經網絡逆控制器。
本發明通過構造神經網絡逆環節，將原無刷直流電機調速系統這一非線性系統線性化 為偽線性系統，再通過合理的設計閉環控制器，可獲得優良的調速性能。
本發明的優點在于
1、 采用神經網絡逆方法，解決了復雜非線性系統的控制問題，通過進一步合理設計 線性閉環控制器，獲得高性能的協調控制以及抗負載擾動運行性能。
2、 本發明的方法較之傳統的無刷直流電機調速系統，硬件結構變化不大，構造系統 方便，成本低，應用前景非常廣闊。
圖1是無刷直流電機調速的原理結構圖。其中有無刷直流電機1、含BUCK(降壓斬波) 電路的逆變橋2。
圖2是無刷直流電機調速系統對應的單輸入(占空比p)單輸出(電機實際轉速必)的等 效圖。
圖3是神經網絡逆4與無刷直流電機調速系統3復合構成的偽線性系統的示意圖及其 等效圖。其中包含積分器、靜態人工神經網絡41，偽線性系統5。
圖4是由線性閉環控制器6與偽線性系統5組成的閉環控制系統的結構圖。其中偽線 性系統由速度子系統51構成；線性閉環控制器為速度控制器。
圖5是采用無刷直流電機神經網絡逆控制器8對無刷直流電機調速系統3進行控制的 完整原理框圖。
圖6是無刷直流電機在階躍信號激勵下的轉速響應(給定轉速為階躍信號)。
圖7是采用DSP控制板作為神經網絡逆控制器的本發明裝置組成示意圖。其中包含
DSP控制器7、光電編碼器9。
圖8是采用DSP控制器7作為神經網絡逆控制器時的程序運行框圖。
具體實施例方式
如圖l-2，把無刷直流電機1和含BUCK (降壓斬波)電路的逆變橋電路2共同作為 一個整體組成無刷直流電機調速系統3。根據分析可知該無刷直流電機調速系統3為非線性單輸入單輸出系統，輸入為占空比p,輸出為實際轉速必，且速度的相對階為二階，整個系統分段可逆。如圖3，采用4個輸入節點以及1個輸出節點的靜態人工神經網絡41(如多層網絡BP或經向基函數網絡RBF等)加2個積分器構成神經網絡逆4。再將神經網絡逆4串接在原系統即被控的無刷直流電機調速系統3之前，復合成速度二階積分型偽線性系統5，實現整個系統的線性化。如圖4，最后為了消除逆系統逼近誤差，對得到的偽線性子系統5采用線性系統設計理論(如比例積分微分PID、極點配置等設計方法)進行線性閉環控制器6的設計。最終形成的神經網絡逆控制器包括神經網絡逆4與線性閉環控制器5兩部分，可根據不同的控制要求采用不同的硬件或軟件來實現。具體實施分以下7步
① 如圖1所示，組成無刷直流電機調速系統的硬件。將含BUCK(降壓斬波)變換器的逆變橋2與無刷直流電機1共同復合成一個整體，該復合被控對象以占空比為輸入p,電機的實際轉速為輸出w。
② 通過分析、等效與推導，為神經網絡逆4的構造與學習訓練提供方法上的依據。首先作含BUCK(降壓斬波)換器的逆變橋2與無刷直流電機l的等效，含BUCK(降壓斬波)變換器的逆變橋電路如圖(2)所示，兩者的等效可化單輸入單輸出的非線性系統，且轉速的相對階為二階，經推導可證明該系統在運行區域內分段可逆，并可確定其逆系統的輸入變量為轉速必， 一階導數；以及二階導數5，輸出變量為原系統(無刷直流調速系統3)的輸入P。需要說明的是，這一步僅為以下的神經網絡逆4的構造與學習提供方法上的根據，在本發明的具體實施中，這一步的分析、等效以及逆系統的證明等可跳過。
③ 設計負載轉矩觀測器10。根據現在控制理論中的狀態反饋與觀測器理論，依據無刷直流電機l的線性數學模型以占空比P為輸入，直流母線電流為輸出設計降維觀測器，實時對負載轉矩 ;進行觀測。
④ 構造神經網絡逆4。采用靜態人工神經網絡41加2個積分器構造神經網絡逆見圖3左圖中的虛線框內所示，神經網絡采用3層的BP網絡，輸入層節點數為4個，隱含層節點數為12個，輸出層l個節點，隱層神經元函數使用(0， 1) S型函數/(" = (^-廣)/(^+e—",輸出層的神經元采用純線性變換函數，神經網絡的各權系數將在下一步的離線學習中確定；然后用此具有4個輸入節點、l個輸出節點的靜態神經網絡41加2個積分構成4輸入節點，l輸出節點的神經網絡逆4，見圖3的虛線框所示，其中靜態神經網絡41第一個輸入為神經網絡逆4的第一個輸入，其經第一個積分器為靜態神經網絡41的第二個輸入，經第二個積分器為靜態神經網絡41的第三個輸入，靜態神經網絡41的第四輸入為負載觀測器10對負載轉矩的觀測值 l 。⑤ 確定神經網絡的各權系數。其步驟是(A)選擇速度給定信號作為學習激勵信號， 如圖5所示，以便無刷直流電機調速系統3在其工作范圍內能被充分激勵；(B)將選定的
激勵信號加在單轉速環的無刷直流調速系統3輸入端，同時采樣占空比^和實際轉速必
以及負載觀測器10對負載的動態觀測值7l; (C)離線對實際轉速"求導，得到；和5，從
而構成神經網絡的訓練樣本{",; ,^tLp}; (D)對靜態神經網絡41采用變學習率的誤差 反傳BP算法進行訓練，學習訓練2000次后，靜態神經網絡41輸出均方誤差小于0.01， 滿足要求，從而確定了靜態神經網絡41的各權系數。
⑥ 形成偽線性系統5。將離線訓練好的靜態神經網絡41配上二個積分器構成的神經 網絡逆4，與圖4所示的被控的無刷直流電機調速系統串接復合，形成速度二階的偽線性 子系統，實現了把復雜非線性系統控制轉化為簡單的線性子系統控制。
⑦ 作出線性閉環控制器6。對得到的速度二階偽線性子系統進行閉環控制器設計。
⑧ 作出線性閉環控制器最終形成的神經網絡逆控制器8包括神經網絡逆4與線性閉 環控制器6兩部分，如圖7所示，可根據不同控制要求采用不同的硬件或軟件來實現。
圖7是本發明的具體示意圖，圖中主控制芯片采用基于美國TI公司的 TMS320F2812DSP電機專用控制芯片的控制板。控制板部分主要包括故障信號的檢測，光 電隔離電路，以及與TMS320F2812DSP芯片相連的接口電路。
系統的程序框圖如圖8所示，包括主程序和中斷服務程序。主程序主要實現系統的初 始化，同時根據速度控制中斷服務與命令給定中斷服務進行實時的診斷故障以及報警。速 度控制中斷服務作為定時中斷主要實現保護程序現場，同時實時采樣信號，對采樣信號進 行處理后，進行神經網絡逆控制，最后恢復現場，退出中斷。命令給定中斷作為人機交互 模塊，主要實現給定各種控制命令。被控無刷直流電機的參數為P=120W; C/=36V; I=4A ; <y=400rpm。
權利要求
1.一種無刷直流電機調速系統控制器，包括含降壓斬波變換器的逆變橋(2)連接無刷直流電機(1)、神經網絡逆(4)與線性閉環控制器(6)相連接，其特征是將所述的神經網絡逆(4)與線性閉環控制器(6)相串接形成無刷直流電機神經網絡逆控制器(8)，其中神經網絡逆(4)用靜態人工神經網絡(41)加2個積分環節構成，線性閉環控制器(6)為速度控制器，由線性系統的設計方法對偽線性系統(5)分別作出；偽線性系統(5)為速度子系統(51)，無刷直流電機調速系統(3)由逆變橋(2)、無刷直流電機(1)及負載作為一個整體組成，神經網絡逆(4)和無刷直流電機調速系統(3)共同復合組成等效的偽線性系統(5)。
2. 根據權利要求1所述的無刷直流電機調速系統控制器，其特征是所述靜態人工 神經網絡(41)有4個輸入節點和1個輸出節點，其中靜態人工神經網絡(41)的第一輸 入為神經網絡逆(4)的輸入，第一個輸入經第一個積分環節為靜態人工神經網絡(41) 的第二個輸入，靜態人工神經網絡(41)的第二個輸入經過一積分環節為其第三個輸入， 其第四輸入為負載轉矩觀測器(10)對負載轉矩的觀測值，靜態人工神經網絡(41)的輸 出為神經網絡逆(4)的輸出。
3. —種無刷直流電機調速系統控制器的構造方法，其特征是依次包括如下步驟① 組成無刷直流電機調速調速系統(3);② 作整個無刷直流電機調速調速系統(3)的等效，輸入變量為無刷直流電機調速系 統控制器的占空比，輸出變量為電機的實際轉速，通過分析和推導可得到整個無刷直流電 機調速調速系統(3)的數學模型為二階微分方程，速度相對階數為二階，定其逆系統的 輸入變量為轉速，轉速的一階導數以及二階導數，輸出變量為無刷直流電機調速調速系統(3)的為占空比；③ 設計負載轉矩觀測器(10)為降維觀測器；④ 構造神經網絡逆(4);⑤ 將階階躍激勵信號加到無刷直流電機調速調速系統(3)輸入端；采集激勵信號和 實際轉速；對得到的實際轉速信號進行離線求一階導數以及二階導數，同時通過負載轉矩 觀測器(10)的觀測值，用構成的訓練樣本集對靜態人工神經網絡(41)進行訓練，確定 靜態人工神經網絡(41)的各個權系數； 形成速度子系統(51);⑦作出線性閉環控制器(6)后與神經網絡廣義逆(4)相串接構成無刷直流電機神經 網絡逆控制器(8)。
全文摘要
本發明公開了一種無刷直流電機調速控制器及構造方法，包括神經網絡逆與線性閉環控制器，將逆變橋及無刷直流電機作為一個整體組成一個無刷直流電機調速系統，將神經網絡逆串在所述的無刷直流電機調速系統前，共同復合成由速度子系統構成的偽線性系統，在速度子系統基礎上再構建線性閉環控制器；神經網絡逆與線性閉環控制器相串接即形成神經網絡逆控制器，采用該控制器的無刷直流電機可獲得優良的調速性能，不僅可設計新的無刷直流調速系統，而且可用于改造原有的無刷直流電機系統，構置系統方便且成本低。
文檔編號H02P6/08GK101630936SQ20091018430
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者劉國海, 躍 沈, 彥 蔣, 鵬 金 申請人:江蘇大學