基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的永磁同步電機(jī)矢量控制

　　永磁同步電機(jī)采用高能永磁體，消除了旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈的影響，具有高推力強(qiáng)度，低損耗，小電氣時(shí)間常數(shù)及快響應(yīng)等特點(diǎn)，成為高精度、微進(jìn)給伺服系統(tǒng)中****的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一。目前由于現(xiàn)代永磁材料的性能不斷提高，控制相對(duì)異步電機(jī)來說也比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)高性能控制，因而在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等小功率應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步電機(jī)得到了更為廣泛的應(yīng)用。近年來交流調(diào)速技術(shù)隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展而日新月異：1<.這里，介紹了永磁同步電機(jī)的矢量控制原理及用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的方法，給出了MATLAB仿真和硬件實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。
　　2矢量控制原理0年代初提出的，首先應(yīng)用到感應(yīng)電機(jī)中，目前已得到了普遍的應(yīng)用。它從根本上解決了交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的高性能控制問題。
　　對(duì)于他勵(lì)直流電機(jī)，勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁通勢(shì)間的空間角度由電刷和機(jī)械換向器所固定，通常情況下兩者是正交的。因此，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩間存究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。
　　在線性關(guān)系。通過調(diào)節(jié)電樞電流就可以直接控制轉(zhuǎn)矩。與直流電機(jī)不同的是，在同步電機(jī)中，勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞磁通勢(shì)間的空間角度隨負(fù)載變化而變化，因而不能簡(jiǎn)單地通過調(diào)節(jié)電樞電流來直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。倘若能將交流電機(jī)的物理模型等效變化為直流電機(jī)模型，然后再對(duì)其進(jìn)行控制，則可使問題大為簡(jiǎn)化。比較直流電機(jī)和交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以發(fā)現(xiàn)，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣，因此要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型就必須簡(jiǎn)化磁通關(guān)系。坐標(biāo)變化可以實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)模型的簡(jiǎn)化，進(jìn)行坐標(biāo)變化的原則是使不同的坐標(biāo)系下產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相同。交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組A，"，C通以三相平衡的正弦電流時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)。對(duì)其進(jìn)行Calarke變化，并將三相正弦電流等效為兩相，使其也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的，變化公式為：在新結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式仍依靠轉(zhuǎn)子通量，需對(duì)其再進(jìn)行Park變化。在進(jìn)行以上兩次變化后，模型與直流電機(jī)物理模型已沒有本質(zhì)上的區(qū)別了，因而可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流空間相量的相位和幅值的控制，即實(shí)現(xiàn)其矢量控制。
　　為矢量控制的結(jié)構(gòu)框圖曰。
　　3單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制%12盡管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)有許多潛在的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)單純使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法的研究仍有待進(jìn)一步發(fā)展，通常需要將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的控制理論或智能控制技術(shù)綜合使用。然而，傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器因其技術(shù)成熟，在過程控制中獲得了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)一些復(fù)雜、時(shí)變系統(tǒng)，因PID的參數(shù)不易實(shí)時(shí)在線調(diào)整，所以應(yīng)用中會(huì)影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。本文采用了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制。
　　示出用單神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)PID控制的結(jié)構(gòu)框圖。
　　既然同步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可等效成直流電機(jī)，所以可模仿直流電機(jī)的控制方法求得直流電機(jī)的控制量，之后經(jīng)過坐標(biāo)反變換就能對(duì)同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時(shí)，可認(rèn)為在控制器后加入的反變換與反饋環(huán)節(jié)的變換相抵消，所以對(duì)其進(jìn)行調(diào)速與直流電機(jī)調(diào)速十分相似。
　　這里采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，示出用MATLAB/SIMULINK實(shí)現(xiàn)的仿真框圖。其中：nn為+的函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元權(quán)系數(shù)的調(diào)整。
　　神經(jīng)元自適應(yīng)PID學(xué)習(xí)算法的運(yùn)行效果與可調(diào)參數(shù)k，"i，"p，"d有很大關(guān)系。k是系統(tǒng)最敏感的參數(shù)，k值的變化相當(dāng)于P，I，D 3項(xiàng)同時(shí)變化，所以應(yīng)在第一步調(diào)整k，參數(shù)的具體調(diào)整規(guī)則見。
　　"！=0.08，"=37.示出其單位階躍響應(yīng)曲線。
　　5硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)器適用于中、小功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)部分采用DSP+IPM的模式。設(shè)計(jì)中，選用了TI公司生產(chǎn)的（下轉(zhuǎn)第61頁(yè)）則次級(jí)繞組電壓值為15.8V，又因?yàn)槌跫?jí)反激工作可見，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，雖然）電壓為150V，根據(jù)初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)的關(guān)系式：150V/時(shí)大，但因輸入電壓低，其總電壓仍比600V時(shí)小，p=15.8V/！S，U！p=212匝代入可得次級(jí)繞組匝數(shù)23匝。