摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制被應(yīng)用在無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制都是基于電壓矢量空間6扇區(qū)劃分的，提出了12扇區(qū)劃分的控制策略，以求更加有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．并針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩觀測(cè)的問題，構(gòu)建了以相電流、相電壓為輸入，電磁轉(zhuǎn)矩為輸出的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)，結(jié)合無刷電機(jī)12扇區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制，良好地實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)控制。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；12扇區(qū)劃分；小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)近幾年來，有學(xué)者將直接轉(zhuǎn)矩控制
引言
無刷直流電機(jī)控制。將DTC用于無刷直流電機(jī)時(shí)，不但可以略去其磁鏈觀測(cè)部分，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還可以利用其轉(zhuǎn)矩控制的高動(dòng)態(tài)性，有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
文獻(xiàn)[2]實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，但其采用6分區(qū)的電壓矢量空問。由于分區(qū)較寬，每次電壓矢量切換所調(diào)節(jié)的磁通角過大．導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制不夠平穩(wěn)，未能發(fā)揮直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)良性能。針對(duì)無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩觀測(cè)的問題，文獻(xiàn)[4]采用公式法計(jì)算轉(zhuǎn)矩，需預(yù)知磁鏈，轉(zhuǎn)子位置及相電流，且公式中包含微分項(xiàng)，計(jì)算量大，計(jì)算精度低。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[5]利用反電動(dòng)勢(shì)形狀函數(shù)法進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算，雖然簡(jiǎn)單，但其基于反電動(dòng)勢(shì)波形為理想梯形波的假設(shè)基礎(chǔ)上，因此誤差較大。
本文針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制在無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，作了以下2方面工作：1)提出電壓矢量空間1 2扇區(qū)劃分的直接轉(zhuǎn)矩控制策略；2)針對(duì)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)問題，構(gòu)建了以相電流、相電壓為輸入，電磁轉(zhuǎn)矩為輸出的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(wNN)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)反饋。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于以上方法的無刷直流電機(jī)控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。
1無刷直流電機(jī)DTC控制式中：km為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；|ψs|為定子磁鏈空間矢量幅值；|ψ|為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量幅值；θ為定轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。
由此可知，轉(zhuǎn)矩的大小與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角成正比。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由永磁體產(chǎn)生，其大小近似恒定。因此，只要選擇適當(dāng)?shù)碾妷嚎臻g矢量，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變磁通角大小，便能達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。
1．1電壓空間矢量
本文用六位二進(jìn)制數(shù)來表示電壓空間矢量，每一位二進(jìn)制數(shù)代表1個(gè)功率管的開關(guān)狀態(tài)，0表示關(guān)斷，1表示導(dǎo)通。如100001代表功率管l和6開通，其余管關(guān)斷，即A相上橋管，C相下橋管導(dǎo)通。100101代表功率管l，4，6開通，其余管關(guān)斷，即A相上橋管，B，C相下橋管導(dǎo)通。
對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析與控制時(shí)，通常引入Park坐標(biāo)變換，將三相相電壓變換為Park復(fù)平面電壓矢量。若取三相定子坐標(biāo)系中的α軸與Park矢量復(fù)平面的“軸重合，電壓矢量μ為目前無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制主要采用二二導(dǎo)通方式或三三導(dǎo)通方式，二相導(dǎo)通方式時(shí)，做理想化處理，求得兩相導(dǎo)通，關(guān)斷相電壓為零時(shí)的空間電壓矢量。按式(2)計(jì)算出6個(gè)非零矢量如式(3)所示。三相導(dǎo)通時(shí)，按式(2)求得6個(gè)非零矢量如下式：
二二導(dǎo)通方式或三三導(dǎo)通方式對(duì)應(yīng)的電壓矢量空間均為6扇區(qū)劃分，每次電壓矢量切換所調(diào)節(jié)的磁通角過大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)不夠平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。基于空間12扇區(qū)劃分的比基于6扇區(qū)劃分的無刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，能夠更有效地減小電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文為構(gòu)造12扇區(qū)劃分的電壓矢量空間，采用二三相混合導(dǎo)通策略。
將二二導(dǎo)通及三三導(dǎo)通的12個(gè)非零電壓空間矢量融合在一起，形成12扇區(qū)劃分的電壓空間矢量，如罔l所示。
1．2無刷電機(jī)DTC
本文構(gòu)建無刷直流電機(jī)速度／轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。速度控制器輸出經(jīng)過限幅后為轉(zhuǎn)矩給定值，與轉(zhuǎn)矩反饋值相減后得到轉(zhuǎn)矩誤差，轉(zhuǎn)矩誤差與轉(zhuǎn)矩誤差變化率同時(shí)輸入轉(zhuǎn)矩控制器，轉(zhuǎn)矩控制器輸出結(jié)合位置信號(hào)選擇合適的電壓空間矢量，達(dá)到調(diào)節(jié)磁通角，進(jìn)而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的日的。
當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩Tr大于實(shí)際轉(zhuǎn)矩T1較多，且轉(zhuǎn)矩誤差變化率d△T／d￡大于零時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器輸出2值，表示應(yīng)較大幅度增加轉(zhuǎn)矩，這樣可以加快轉(zhuǎn)矩響應(yīng)；當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩Tr大于實(shí)際轉(zhuǎn)矩T，且轉(zhuǎn)矩誤差變化率d△�。痙t小于零時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器輸出1值，表示正常增加轉(zhuǎn)矩，保持轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的平穩(wěn)性；當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩T。小于實(shí)際轉(zhuǎn)矩T，且轉(zhuǎn)矩誤差變化率d△T／dt大于零時(shí)轉(zhuǎn)矩控制器輸出O值，表示正常減小轉(zhuǎn)矩；當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩T，小于實(shí)際轉(zhuǎn)矩T，且轉(zhuǎn)矩誤差變化率d△7、／dt小于零時(shí)轉(zhuǎn)矩控制器輸出-l值，表示較大幅度減小轉(zhuǎn)矩，即允許一定的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，來限制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。電壓空間矢量選擇如表1所示。
2 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩
2．1小波網(wǎng)絡(luò)
將小波函數(shù)作為基函數(shù)構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成小波網(wǎng)絡(luò)，小波網(wǎng)絡(luò)將小波變換良好的時(shí)頻局域化特性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能相結(jié)合，具有較強(qiáng)的逼近能力和容錯(cuò)能力]。
由文獻(xiàn)[5]中式(15)可知，電磁轉(zhuǎn)矩與反電勢(shì)和相電流問存在列應(yīng)關(guān)系，而反電勢(shì)與相電壓之間又存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，電磁轉(zhuǎn)矩與相電壓相電流問存在映射關(guān)系。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射功能，本文構(gòu)造了一個(gè)如圖3所示的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)。
墨西哥帽函數(shù)在時(shí)間域和頻率域都有很好的局部化，網(wǎng)絡(luò)選用墨西哥帽狀小波為隱層函數(shù)，墨西哥帽狀小波：
式中“為輸入層第z個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入；α為輸入層第z個(gè)節(jié)點(diǎn)到隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值；6，為隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的平移系數(shù)；αj為隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的伸縮系數(shù)；ψ(x)為隱含層激勵(lì)函數(shù)(小波函數(shù))；ωj為第j個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)到輸出的權(quán)值。
2．2遺傳算法
網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中存在的****問題，莫過于迭代過程中收斂于局部極小點(diǎn)。遺傳算法是一種模仿自然界生物進(jìn)化思想而得出的一種自適應(yīng)啟發(fā)式全局搜索算法，能使問題逼近全局****解，且具有較強(qiáng)的魯棒性。本文采用遺傳算法對(duì)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練，確定小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)．使網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)E為最小。
式中：P為輸入樣本個(gè)數(shù)；T(t)為期望網(wǎng)絡(luò)輸出；T(t)為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)輸出。
通過運(yùn)行基于DsP的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)提取樣本數(shù)據(jù)。訓(xùn)練樣本對(duì)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識(shí)能力是至關(guān)重要的，為了讓網(wǎng)絡(luò)更好地逼近實(shí)際系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，增加電機(jī)負(fù)載，使運(yùn)行狀態(tài)不斷改變．****限度地覆蓋電機(jī)運(yùn)行范圍。
遺傳算法訓(xùn)練小波網(wǎng)絡(luò)流程如圖4所示。適應(yīng)度為，一1／(1+E)。
2．3小波網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果
實(shí)驗(yàn)過程中，將小波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)編碼，個(gè)體長(zhǎng)度為28，隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)初始值為lO，由遺傳算法自適應(yīng)調(diào)整，墨西哥帽小波母函數(shù)的時(shí)域中心取O，半徑取1．08。種群規(guī)模為20，總進(jìn)化次數(shù)為50次。
通過評(píng)價(jià)篩選，采用實(shí)驗(yàn)過程中的300O組數(shù)據(jù)做樣本。2 900組樣本用來訓(xùn)練小波網(wǎng)絡(luò)，圳練完成后的小波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為6-5-l，即含有5個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)。權(quán)值參數(shù)如下：ω=[0.174 0．6g4 0.078 0．470 o.538]
α=[0.152 l.087 -4.021 0586 16.064]
6一[4.68l 3 8.76l 5 -O．4661 7.433l 3.7431]
100組樣本用作轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)。預(yù)測(cè)結(jié)果見圖5。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文以Matlab為平臺(tái)對(duì)上述方法進(jìn)行仿真．并設(shè)計(jì)、搭建r基于I)sP芯片TMs320F28l 2的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓310 v，額定轉(zhuǎn)速4 000 r／min．額定電流5 A，極對(duì)數(shù)為2。圖6為無刷電機(jī)DTc轉(zhuǎn)速響應(yīng)．圖7為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速／電流雙閉環(huán)控制下負(fù)載突變時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。圖8為直接轉(zhuǎn)矩控制下負(fù)載突變時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。由圖8可知直接轉(zhuǎn)矩控制能有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
4 結(jié)論
為解決無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題，本文將直接轉(zhuǎn)矩控制引入無刷電機(jī)控制中，采用二三相混合導(dǎo)通方式，構(gòu)造出區(qū)別于傳統(tǒng)6扇區(qū)的12扇區(qū)電壓矢量卒間。轉(zhuǎn)矩控制器輸…結(jié)合位置信號(hào)選擇最合適的電壓空間矢量，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)磁通角，達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。并針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制巾轉(zhuǎn)矩觀測(cè)問題，構(gòu)造1個(gè)6輸入，l輸出的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩，效果良好。將以上控制策略應(yīng)用到基于DsP的無刷電機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)，結(jié)合無刷電機(jī)12扇區(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制，良好地實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)控制。
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