無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器構造方法

2023-05-10 18:01:26 2

專利名稱：無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器構造方法
技術領域：
本發明涉及無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器，用於無軸承同步磁 阻電機的高性能控制，屬於電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
無軸承同步磁阻電機滿足了現代工業對高轉速、無潤滑、無摩擦、免維修的高性能 驅動電機的要求，它是一種既具有磁軸承優良性能，又兼備同步磁阻電機特點的新型電機， 在工具機電主軸、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、機電貯能、航空航天等特殊電氣傳動領域具有 廣泛的應用前景。無軸承同步磁阻電機是一個非線性、強耦合的多輸入多輸出系統，若要實 現電機轉子穩定懸浮和運行，必須實現電磁轉矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在 兩垂直方向上的分量之間的動態解耦控制。無軸承同步磁阻電機控制的特殊性決定其無法像無軸承異步電機和無軸承永磁 同步電機那樣，基於磁場定向控制進行相關公式變換即可實現各個變量間的完全解耦。在 電機常用的解耦控制方法中，微分幾何控制方法和逆系統方法也可用於無軸承同步磁阻電 機的控制，但其線性化解耦的實現要求獲得被控對象的精確數學模型。無軸承同步磁阻電 機作為一個非線性、強耦合的多輸入多輸出系統，其轉子參數隨工況的變化十分顯著，再加 上轉子偏心時懸浮力的變化，負載擾動的存在以及磁飽和等未建模動態的影響，使微分幾 何控制方法和逆系統方法很難在實際中真正應用。神經網絡逆控制方法可以彌補上述控制 方法的不足，其被控系統線性化解耦的實現不依賴於精確的數學模型，並且不會因為系統 參數的不穩定而帶來控制誤差。而神經網絡廣義逆控制方法除具備神經網絡逆控制方法的 各種優點外，還能通過配置偽線性複合系統的極點使其子系統具有開環穩定的線性傳遞關 系，可以將神經網絡廣義逆作為一個非線性開環控制器直接使用，但是簡單的將神經網絡 廣義逆作為控制器使用，實施開環控制，其控制效果不佳。專利申請號200710190554. 2，名稱為神經網絡廣義逆無軸承永磁同步電機解耦 控制器構造方法，是針對無軸承永磁同步電機設計神經網絡廣義逆解耦控制器，其電機轉 子的機械結構和運行機理、數學模型、性能要求與無軸承同步磁阻電機不同，無軸承同步磁 阻電機利用了凸極轉子直軸和交軸電感不等產生磁阻轉矩，進而拖動負載。另外，其解耦控 制方法是將神經網絡廣義逆作為一個非線性開環控制器直接使用，控制效果不佳。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種無軸承同步磁阻電機神經 網絡廣義逆解耦控制器構造方法，既可實現無軸承同步磁阻電機電磁轉矩和徑向懸浮力之 間以及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的分量之間的解耦控制，又可獲得良好的各項控制 性能指標；在採用神經網絡廣義逆將被控系統線性化解耦後再設計線性閉環控制器，從而 增強系統的魯棒性。本發明的技術方案是採用如下步驟1)將第一、第二 Park逆變換，第一、第二 Clark逆變換，第一、第二電流跟蹤型逆變器分別依次串接後連接於無軸承同 步磁阻電機之前作為一個整體組成複合被控對象；2)建立無軸承同步磁阻電機的 數學模型，經過坐標變換和線性放大得到複合被控對象的數學模型，在複合被控對 象的數學模型的基礎上採用靜態神經網絡加5個線性環節來構造神經網絡廣義逆; 3)將神經網絡廣義逆串接於複合被控對象之前組成廣義偽線性系統，複合被控對象 以電機轉子的位置x、_F和轉速ω為輸出，以神經網絡廣義逆輸出的四個電流信號
<、G、U、<作為複合被控對象的輸入控制量；廣義偽線性系統包括兩個位置子系統和一
個速度子系統這三個單輸入單輸出子系統；4)對神經網絡廣義逆進行訓練，通過訓練確定 靜態神經網絡的各個權係數，使神經網絡廣義逆逼近複合被控對象的廣義逆系統；5)分別 對線性化解耦後的廣義偽線性系統中兩個位置子系統、一個速度子系統設計對應的兩個位 置控制器、一個速度控制器，將這三個控制器共同組成線性閉環控制器；6)將線性閉環控制 器、神經網絡廣義逆、第一、第二 Park逆變換、第一、第二 Clark逆變換、第一、第二電流跟蹤 型逆變器分別依次串接後共同構成無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器。本發明的有益效果是
1、無軸承同步磁阻電機與單純使用磁軸承支承的同步磁阻電機相比具有更加合理，更 加實用的結構一是無軸承同步磁阻電機機械結構緊湊，轉子軸向長度減小，電機轉速、功 率可以進一步得到提高，並可以實現高速超高速運行；二是徑向懸浮力控制系統中功率放 大電路採用三相功率逆變電路，使得無軸承同步磁阻電機的控制方法簡單，結構緊湊，功 耗低，成本下降。擺脫了傳統磁軸承支承的同步磁阻電機結構複雜，臨界轉速低，控制系統 複雜，功率放大器造價高，體積大等缺陷。2、本發明通過閉環控制和調整PID參數實現高精密控制，最終使系統獲得滿意的 各項性能，如轉子徑向位置動、靜態調節特性及轉矩、速度調節性能，使得無軸承同步磁阻 電機具有很高的應用價值，在高速或超高速數控工具機、密封泵、半導體工業、航空航天、化工 工業、生命科學及生物工程等眾多特殊電氣傳動領域中得到廣泛應用。3、採用靜態神經網絡加線性環節的方法來實現複合被控對象的廣義逆系統，進而 構造神經網廣義逆解耦控制器來實現對無軸承同步磁阻電機的控制，完全擺脫了傳統的微 分幾何控制方法和逆系統方法對精確數學模型的依賴性，不存在由於系統參數不穩定而帶 來的系統控制誤差，很好地實現了無軸承同步磁阻電機位置系統、轉子的轉速的獨立控制， 顯著地提高了無軸承同步磁阻電機的控制性能。4.本發明採用一個靜態神經網絡和5個線性環節來構成神經網絡廣義逆，並用神 經網絡廣義逆逼近廣義逆系統，將無軸承同步磁阻電機這一個非線性、強耦合的多輸入多 輸出系統線性化和解耦為兩個二階線性位置子系統和一個一階線性速度子系統，通過合理 地調節廣義逆系統的參數使解耦後的位置子系統及速度子系統的極點在複平面內合理配 置，從而得到開環穩定的子系統，並且分別對兩個位置子系統和一個速度子系統設計兩個 位置控制器和一個速度控制器，實現了電磁轉矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在 兩垂直方向上的分量之間的解耦控制，從而實現非線性系統的開環線性化控制。5、由於神經網絡具有函數逼近能力以及適應系統參數變化的能力，因而本發明可 以不需要知道被控系統的精確數學模型，也無須測量被控系統內部狀態便可合理配置偽線 性複合系統的極點，實現系統的大範圍線性化、解耦和降階，大大提高了系統對參數變化和
5負載擾動的魯棒性，為其它無軸承電機控制系統，以及適合磁軸承支承的各種類型的電機 控制的非線性系統線性化和解耦控制提供了一條有效途徑。


圖1是由兩個Park逆變換21、31、兩個Clark逆變換22、32，兩個電流跟蹤型逆變 器23、33及無軸承同步磁阻電機1組成的複合被控對象5 ；
圖2是由靜態神經網絡61和5個線性環節構成的神經網絡廣義逆6的結構示意圖； 圖3是神經網絡廣義逆61與複合被控對象5串聯組成的廣義偽線性系統8的示意圖 及其等效圖4是由線性閉環控制器4與偽線性複合系統8組成的閉環控制系統結構圖； 圖5是無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器原理框圖； 圖中1.無軸承同步磁阻電機；4.線性閉環控制器；5.複合被控對象；6.神經網絡 廣義逆；7.無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義解耦逆控制器；8.廣義偽線性系統；21、 31. Park逆變換、22、32. Clark逆變換；23,33.電流跟蹤型逆變器；41,42.位置控制器； 43.速度控制器；61.靜態神經網絡；81、82.位置子系統；83.速度子系統。
具體實施例方式本發明具體實施分以下6步
1、如圖1所示，形成複合被控對象5。本發明將兩個Park逆變換21、31，兩個Clark逆 變換22、32，兩個電流跟蹤型逆變器23、33分別依次串接後連接於無軸承同步磁阻電機1之 前，作為一個整體組成複合被控對象5。即將第一 Park逆變換21、第一 Clark逆變換22、 第一電流跟蹤型逆變器23依次串接後連接於無軸承同步磁阻電機1之前，將第二 Park逆 變換31、第二 Clark逆變換32、第二電流跟蹤型逆變器33依次串接後連接於無軸承同步磁 阻電機1之前後作為一個整體，等效為複合被控對象5。複合被控對象5以轉子的位置^、
7和轉速《作為輸出，並且以神經網絡廣義逆6輸出的四個電流信號 <、<、《、< 作為複合
被控對象5的輸入控制量。2、如圖2所示，確定神經網絡廣義逆6的結構，將神經網絡廣義逆6串接於複合被 控對象5之前。根據無軸承同步磁阻電機1的原理建立無軸承同步磁阻電機1的數學模 型，經過坐標變換和線性放大，得到複合被控對象5的數學模型，即旋轉坐標系下的5階微 分方程，在此基礎上求出系統的向量相對階為{2，2，1}，則複合被控對象5的廣義逆系統存 在。採用靜態神經網絡61加5個線性環節來構造神經網絡廣義逆6，從而可以構造出神經 網絡廣義逆6。神經網絡廣義逆6的3個輸入為巧, i 2 =amy+az^+a22y和
V3 = O30fl+O31^ ,4個輸出分別為複合被控對象的4個輸入，即< 口;;、U和『。靜態神經網絡 61採用三層前饋網絡結構，具有8個輸入節點、4個輸出節點，18個隱含節點，隱層神經元激
活函數使用S型函數/(x〉= ^^,輸出層的神經元採用純線性函數v、，為神經元 的輸入。神經網絡廣義逆6的第一個輸入巧作為靜態神經網絡61的第一個輸入，其經二階系統~『 的輸出為.，即為靜態神經網絡61的第二個輸入，再經一個積分器
權利要求
1.一種無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器構造方法，其特徵是採用如下 步驟1)將第一、第二Park逆變換(21、31)，第一、第二 Clark逆變換(22、32)，第一、第二電 流跟蹤型逆變器(23、33)分別依次串接後連接於無軸承同步磁阻電機(1)之前作為一個整 體組成複合被控對象(5)；2)建立無軸承同步磁阻電機(1)的數學模型，經過坐標變換和線性放大得到複合被控 對象(5)的數學模型，在複合被控對象(5)的數學模型的基礎上採用靜態神經網絡(61)加 5個線性環節來構造神經網絡廣義逆(6)；3)將神經網絡廣義逆(6)串接於複合被控對象(5)之前組成廣義偽線性系統(8)，複合 被控對象(5)以電機轉子的位置x、_F和轉速ω為輸出，以神經網絡廣義逆(6)輸出的四個電流信號ζ、ζ、i；、ζ作為複合被控對象(5)的輸入控制量；廣義偽線性系統(8)包括兩個位置子系統(81、82)和一個速度子 系統(83)這三個單輸入單輸出子系統；4)對神經網絡廣義逆(6)進行訓練，通過訓練確定靜態神經網絡(61)的各個權係數， 使神經網絡廣義逆(6)逼近複合被控對象(5)的廣義逆系統；5)分別對線性化解耦後的廣義偽線性系統(8)中兩個位置子系統(81、82)、一個速度 子系統(83)設計對應的兩個位置控制器(41、42)、一個速度控制器(43)，將這三個控制器 共同組成線性閉環控制器(4);6)將線性閉環控制器(4)、神經網絡廣義逆(6)、第一、第二Park逆變換(21、31)、第一、 第二 Clark逆變換(22、32)、第一、第二電流跟蹤型逆變器(23、33)分別依次串接後共同構 成無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器(7)。
2.根據權利要求1所述的無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器構造方 法，其特徵是步驟2)中靜態神經網絡(61)採用三層前饋網絡結構，具有8個輸入節點、 4個輸出節點，18個隱含節點；將巧=作為靜態神經網絡(61)的第一個輸入—經過二階系統
3.根據權利要求1所述的無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解稱控制器構造方法，其特徵是步驟4)中所述的靜態神經網絡(61)的各個權係數確定方法為先在無軸承同步磁阻 電機(1)的工作區域內將四個電流信號『、< 和C都用階躍激勵信號加到複合被控對象(5) 的輸入端，並採集無軸承永磁同步電機(1)的轉子徑向位移χ、和轉子的轉速『，得到原始數 據樣本{ ζ , ζ , ζ , ζ，x，7,w}；再採用高階數值微分方法將兩個轉子位移x、_F離線分別 求其一階、二階導數，進而出巧和巧，轉速『求其一階導數，進而求出巧，並對信號做規範化處理，組成神經網絡的訓練樣本集！ χ，A，丐，7，j，巧， ，馬，<，<，G，<}，對訓練樣本集做歸一化處理；最後利用變步長加動量項的BP算法離線訓練靜態神經網絡 (61)確定各個權係數。
全文摘要
本發明公開一種無軸承同步磁阻電機神經網絡廣義逆解耦控制器構造方法，先將兩個Park逆變換，兩個Clark逆變換，兩個電流跟蹤型逆變器分別依次串接後連接於無軸承同步磁阻電機之前作為一個整體組成複合被控對象；再將構造的神經網絡廣義逆串接於複合被控對象之前組成廣義偽線性系統，然後將兩個位置控制器、一個速度控制器共同組成線性閉環控制器；最後將線性閉環控制器、神經網絡廣義逆、兩個Park逆變換、兩個Clark逆變換、兩個電流跟蹤型逆變器分別依次串接後共同構成；通過閉環控制和調整PID參數實現電磁轉矩和徑向懸浮力之間以及徑向懸浮力自身在兩垂直方向上的分量之間的獨立解耦控制，顯著提高了無軸承同步磁阻電機的控制性能。
文檔編號H02P6/08GK102097986SQ20111002186
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者張婷婷, 張維煜, 朱熀秋, 朱睿智 申請人:江蘇大學