一種永磁同步電機(jī)解耦控制的新方法
孫曉東，朱烷秋，張濤，潘偉，許波 （江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013）
摘要：針對(duì)永磁同步電機(jī)這一多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)的永磁同步電機(jī)逆系統(tǒng)解耦控制新方法。通過(guò)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加積分器來(lái)構(gòu)造永磁同步電機(jī)的逆系統(tǒng)，并在實(shí)際運(yùn)行中不斷地修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，使其更精確地逼近逆系統(tǒng)。將逆系統(tǒng)與永磁同步電機(jī)原系統(tǒng)復(fù)合成兩個(gè)偽線性子系統(tǒng)，使永磁同步電機(jī)解耦成二階線性轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和一階線性磁鏈子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用線性系統(tǒng)理論進(jìn)行綜合。仿真試驗(yàn)表明這種控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子磁鏈之間的動(dòng)態(tài)解耦控制，并且系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；逆系統(tǒng)；在線辨識(shí)；解耦控制
中圖分類號(hào)：TM341; TM351; TP271+ 72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 01-0061-05
0 引 言
永磁同步電動(dòng)機(jī)具有氣隙磁密高、體積小、性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、泵機(jī)及航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、變參數(shù)的復(fù)雜對(duì)象，因此，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高性能控制的關(guān)鍵在于解耦控制。目前，高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的解耦控制方法主要有：矢量控制[1,2]、直接轉(zhuǎn)矩控制[3，4]、微分幾何狀態(tài)反饋控制[5]、解析逆線性解耦控制[6]。等。矢量控制實(shí)現(xiàn)的是一種穩(wěn)態(tài)近似解耦，僅當(dāng)磁鏈達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)速與磁鏈才滿足解耦關(guān)系，因此，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能還不能令人滿意；直接轉(zhuǎn)矩控制是利用轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)解耦，但存在低速性能差、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等缺陷；微分幾何方法雖能取得系統(tǒng)
的精確線性化及輸入輸出漸近解耦，但需要用到抽象的微分幾何知識(shí)，工程上應(yīng)用有一定困難；逆系統(tǒng)方法具有物理概念清晰直觀，數(shù)學(xué)分析簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn)，已在多變量解耦控制中得到應(yīng)用，但存在電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性和適應(yīng)性不理想，抗負(fù)載擾劫能力不強(qiáng)等缺點(diǎn)。近年來(lái)出現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)解耦控制策略[7-9]，由于兼顧了逆系統(tǒng)的線性化解耦的特點(diǎn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10.11]對(duì)非線性系統(tǒng)逼近能力及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力，在一般非線性系統(tǒng)的線性化解耦控制中已得到了運(yùn)用。
大多數(shù)非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制都是采用離線訓(xùn)練的方式，一旦訓(xùn)練完成權(quán)值不可改變，而永磁同步電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，受電機(jī)負(fù)載、參數(shù)變化影響較大，這將影響通過(guò)離線訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)逆系統(tǒng)逼近的精確性，使系統(tǒng)控制偏離預(yù)期目標(biāo)。本文針對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子磁鏈之間的耦合性，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)的永磁同步電機(jī)逆系統(tǒng)解耦控制策略。采用雙BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在可逆性分析的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加積分器構(gòu)造出永磁同步電機(jī)的逆系統(tǒng)，將其動(dòng)態(tài)解耦成二階線性轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和一階線性定子磁鏈子系統(tǒng)。通過(guò)離線學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值，并與原系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器；然后在永磁同步電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，采用相同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線逼近其逆系統(tǒng)，在下一個(gè)采樣周期把在線辨識(shí)得到的權(quán)僮賦給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器，通過(guò)不斷地調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器的權(quán)值來(lái)更好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制。在此基礎(chǔ)上，采用線性系統(tǒng)理論進(jìn)行綜合，整個(gè)控制
系統(tǒng)對(duì)模型參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性，仿真試驗(yàn)表明了該控制策略的有效性。
1數(shù)學(xué)模型及可逆性分析
1.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
為便于對(duì)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析，作如下假設(shè)：(1)忽略空間諧波，設(shè)三相統(tǒng)組在空間上對(duì)稱放置，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周呈正弦分布；(2)忽略電機(jī)鐵心非線性飽和影響，認(rèn)為繞組自感和互感恒定；(3)忽略鐵心損耗；(4)不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響；(5)忽略轉(zhuǎn)子的阻尼繞組。
在d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型可由以下三階微分方程描述[12]。
式中，uduq為定子電壓，R1為定子電阻，ψd、ψq為定子磁鏈，ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；Ld、Lq為定子自感，ω1為轉(zhuǎn)子角速度。
這系統(tǒng)的輸出為轉(zhuǎn)子角速度和定子磁鏈幅值的平方，則系統(tǒng)的輸出方程為
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