（电机与电器专业论文）开关磁阻电机神经网络建模与无位置传感器控制.pdf

a b s t r a c t t h es w i t c h e dr e l u c t a n e ed r i v e ( s r d ) i sf a v o r e di nal o to fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s d u et oi t sl o wc o s ti nm a s sp r o d u c t i o n ，r e d u c e dm a i n t e n a n c e r e q u i r e m e n t s ，r u g g e db e h a v i o ra n dl a r g et o r q u eo u t p u to v e rv e r yw i d es p e e dr a n g e b e c a u s eo ft h ed o u b l es a l i e n ts t r u c t u r eo ft h em a c h i n e ，t h ef l u xl i n k a g ei san o n l i n e a r f u n c t i o no fb o t ht h er o t o rp o s i t i o na n g l ea n dp h a s ec u r r e n t ，w h i c hb r i n g sd i f f i c u l t i e si n a c c u r a t em o d e l i n go ft h em a c h i n e t h er e q u i r e m e n to fm e c h a n i c a lp o s i t i o ns e n s o ri n t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sn o to n l yi n c r e a s e st h ec o s ta n dc o m p l e x i t yo ft h es t r u c t u r e ， b u ta l s ow e a k e n st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a sar e s u l t ，a c c u r a t em o d e l i n go ft h e m a c h i n ea n dp o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lo ft h es y s t e mi sd r a w i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o na tp r e s e n t t h i sp a p e rp r e s e n t saf l u xl i n k a g ec h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mf o r s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n eu s i n gd s pt m s 3 2 0 f 2 812 p h a s ec u r r e n t sa n dv o l t a g e s a r es a m p l e da n dc o n v e r t e d u s i n gt h ei n t e r n a la d cm o d u l e ，t h e nt h ed a t ai st r a n s f e r r e d t op c ，w h i c hc a l c u l a t e st h ef l u xl i n k a g eu s i n gd i g i t a lm e t h o da n dd r a w st h ef l u x l i n k a g e c u r r e n tc u r v e sa td i f f e r e n tr o t o rp o s i t i o n s b a s e do nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ， an o n l i n e a rm o d e lf r o mp h a s ec u r r e n t ，r o t o rp o s i t i o nt of l u xl i n k a g ei sc o n s t r u c t e d u s i n gt h ew a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ( t h ec o m p a r i s o ns h o w st h a tt h e r ei st i n y e r r o rb e t w e e nt h ee s t i m a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sa n dt h ew n nf l u xm o d e lh a sa g o o da d a p t a b i l i t y t h i sp a p e rp r e s e n t san e wa p p r o a c ht ot h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em a c h i n eb a s e do nw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k s t w ow a v e l e tn e u r a ln e t w o r k s w i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ec o n s t r u c t e dt os w i t c ho na n dt u r no f fe a c hp h a s e r e s p e c t i v e l y t h ew n n s f o r ma v e r ye f f i c i e n tn o n l i n e a rm a p p i n gs t r u c t u r ef r o mp h a s e c u r r e n t s ，f l u xl i n k a g e st oc o m m u t a t i o ns i g n a l sw i t hc u r r e n t s ，f l u xl i n k a g e sa si n p u t s a n ds w i t c h i n gs i g n a l sa so u t p u t s ，t h e r e f o r et h ec o m m u t a t i o ns i g n a l sc a nb eo b t a i n e d b ym a n i p u l a t i o no ft h ew n n s o u t p u t s a f t e rt r a i n e db yt h ed a t aa c q u i r e df r o mt h e s y s t e m 谢n lp o s i t i o ns e n s o r , t h ew n n sr e p l a c et h ep o s i t i o ns e n s o ra n dm a k es r m s w i t c ht op o s i t i o ns e n s o r l e s so p e r a t i o n t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h e r ei st i n ye r r o ro fc o m m u t a t i o ns i g n a l sb e t w e e ne s t i m a t i o na n dr e a l i t y s r m c a no p e r a t ew i t hl i a l et o r q u ef l u c t u a t i o na n ds l i g h ts p e e dv i b r a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa ne x p e r i m e n tc o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m a c h i n eb a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 812 a l lf e a s i b l ec o n t r o lm e t h o d so ft h em a c h i n e a r et e s t e dw i t ht h eh i g h p o w e r e dp r o c e s s o rw h i c hi sk n o w nb ye x c e l l e n td i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n dr e a l t i m ec o n t r o la b i l i t i e s t h eh a r d w a r es y s t e mn o to n l yp r o v i d e s t r a i n i n gs a m p l e sf o ro t t l i n el e a r n i n go fw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k s ，b u ta l s os u p p l i e s g o o dr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rp o s i t i o ns e n s o r l e s s c o n t r o lo fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m a c h i n e k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ，f l u x l i n k a g em e a s u r e m e n t ，f l u xl i n k a g em o d e l i n g ，p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下迸行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韵寸佃霄月 签字日期：l - p 7 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞蠢鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 韵百佃胡 签字日期：矽口7 年6 月1 日 导师签名：云南 i 签字日期：；磅三 年多月日 第一章绪论 第一章绪论 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 是2 0 世纪 8 0 年代继异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统之后迅猛发展起来的 一种新型电机驱动调速系统。它由开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ， 简称s r m 或s r 电机) 、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成，集电力 电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，是典型的机电一体化产品f l 】。s r d 具有结构简单坚固、调速范围宽、调速性能优异等优点，在整个调速范围内都具 有较高的效率，系统可靠性高，因而成为各国研究和开发的热点之一。s r d 产 品已广泛或开始应用于电动机车驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系 统等各个领域，覆盖功率范围1 0 w - 5 m w 的各种高低速驱动系统，呈现出强大 的市场潜力【2 j 。 本章首先总结开关磁阻电机的发展历史，详细阐释国内外开关磁阻电机的研 究现状和趋势；然后介绍人工神经网络的结构和特点，以及其在智能控制和系统 辨识中的应用前景；最后在分析选题背景和研究意义的基础上，列出本文研究的 主要内容。 1 1 开关磁阻电机的发展历史和研究方向 1 1 1 开关磁阻电机的发展历史 “开关磁阻电机l 词在美国学者s a n a s a r1 9 6 9 年所撰论文中首次出现 2 1 。 而最早的开关磁阻电机文献记载可追溯到1 8 3 8 年，苏格兰学者d a v i d s o n 制造了 一台用于推进蓄电池机车的驱动系统，但由于受换相开关等条件限制，难以得到 重视。上个世纪，随着电力电子器件和电磁场计算技术的发展，开关磁阻电机逐 渐吸引了人们的注意力。2 0 世纪6 0 年代后，国外开始对开关磁阻电机进行深入 的研究和论证。7 0 年代，英国l e e d s 大学步进电机和磁阻电机研究小组研制了 一台现代开关磁阻电机。1 9 8 0 年，英国学者p j l a w r e n s o n 及其同事在i c e m 会 议上，系统地阐述了开关磁阻电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代开关 磁阻电机的地位。同年，英国成立了世界上第一家开关磁阻电机驱动装置有限公 司( s r dl t d ) ，开发了一系列s r d 产品，其中最著名的是于1 9 8 3 年推出的 o u l t o n 系列s r d 产品。1 9 8 4 年，t a s c 驱动系统公司也推出4 个规格4 - 2 2 k w 第一章绪论 的一系列产品，从而拉开了开关磁阻电机商业化的序幕。除英国外，美国、加拿 大、前南斯拉夫、埃及、土耳其等许多国家也都在积极开展开关磁阻电机的研究 工作。美国空军和g e 公司联合开发了航空发动机用s r d 起动发电机系统，有 3 0 k w 、2 7 0 v 、最大转速5 2 0 0 0 r m i n 和2 5 0 k w 、2 7 0 v 、最大转速为2 3 0 0 0 r m i n 两种规格。加拿大、前南斯拉夫在开关磁阻电机的运行理论、电磁场分析等方面 作了大量研究工作。埃及则对小功率的单相、两相开关磁阻电机的结构、起动性 能等方面进行了许多研究。理论研究和实际应用表明，由于开关磁阻电机独特的 结构，其单位体积出力完全可以与异步电动机相媲美。 从1 9 8 4 年起，我国许多单位先后开展了开关磁阻电机的研究工作。目前， 已有高等院校、研究所和工厂及其所属研究部门约几十个单位开展对开关磁阻电 机的研究开发工作，并取得了一定的成果，研制了多个规格的工业产品样机，在 电动汽车、纺织机械、毛巾印花机、泽尔浆纱机、多功能蒸煮联合机及轻型龙门 刨床和食品加工机械等方面的应用中取得良好的效果。进入上个世纪9 0 年代后， 对开关磁阻电机的研发兴趣呈逐年直线上升趋势，形成理论研究与实际应用并重 的发展势态，国内对s r d 的理论研究著作也相继出版，在开关磁阻电机结构优 化设计、绕组互感对运行的影响、电流波形的优化、转矩脉动、振动与噪音、发 热以及铁耗计算、无位置传感器控制等方面出现了许多独特的观点和见解。虽然 我国开关磁阻电机研究开发工作借鉴了一些国外经验，起步较高，但在理论研究、 实际的产品开发等方面与国外相比仍存在较大的差距【2 】。 近年来，开关磁阻电机已经得到了很大的发展，产品己经广泛地应用于各个 领域。一些新型结构的开关磁阻电机，如盘式开关磁阻电机、外转子式开关磁阻 电机、直线式开关磁阻电机和无位置传感器开关磁阻电机等也得到一些学者的关 注和研肃l 引。 1 1 2 开关磁阻电机的研究方向 近几十年来，s r d 的研究取得了很大的发展，得到了越来越多的重视和关 注，但作为一种新型的调速系统，研究的历史还比较短，其技术涉及电机学、微 电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，并且开关磁阻电机本身的非线性特 性，也增加了研究和应用的难度。在应用上，开关磁阻电机具有结构简单、坚固、 成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、适于高速与恶劣环境运行等特点， 有着广阔的市场前景，因而促使人们更深刻地对其关注、研究和开发。目前，其 研究方向主要集中在以下几个方耐】： ( 1 ) 开关磁阻电机设计理论的进一步完善 开关磁阻电机设计的主要问题是针对其内部磁场强非线性特性及由开关电 2 第一章绪论 源供电、相绕组电流波形难以解析等有别于传统电机的特点，探索电机电磁转矩 的分析与准确计算方法，建立一套效率高、适用于工程设计要求的优化设计方法， 从而从结构上提高电机性能，并简化设计过程。虽然当前在开关磁阻电机结构形 式、电磁场分析、电磁设计、性能计算及参数优化等方面己取得了大量的研究成 果，但仍然存在诸多急需解决的问题。目前，采用二维非线性有限元方法分析开 关磁阻电机的饱和磁场具有局限性，如对以磁路为基础的设计方法研究不够深 入，现有场的方法精度不是很高等。当前电机设计和结构优化当以计算机辅助设 计为基础，向智能化方向发展，充分考虑电机的端部效应，开展开关磁阻电机三 维场的研究。 ( 2 ) 加强对电机转矩脉动及电磁噪声的理论研究 开关磁阻电机本质上存在着转矩脉动及噪声较大的问题，尽管一些学者作了 大量的探索工作，提出了许多改进方案，但仍有待进一步研究。减小开关磁阻电 机振动和噪声的关键在于减小作用在定子上的径向力，主要可以从优化结构设计 和改进控制策略上加以研究【4 】。从开关磁阻电机自身结构的设计上，主要是合理 设计磁场结构、定子磁轭强度和电机的刚度，合理选择气隙、极弧参数及励磁方 式，优化绕组的拓扑结构1 5 1 。从控制角度看，主要是控制相电流使其跟踪输出恒 定转矩所需的电流期望值变化，优化选取导通角、关断角及相应的控制方案，从 而使得转矩脉动和噪声尽可能减小【6 j 。 ( 3 ) 探索实用无位置传感器转子位置检测方案 s r d 是位置闭环系统，但位置传感器的存在不仅削弱了开关磁阻电机结构 简单的优势，而且降低了系统高速运行的可靠性。因此，无位置传感器控制成为 开关磁阻电机研究的热点。经过大量的研究和实践，出现了许多取消传感器的位 置检测方案，如磁链法、波形检测法、状态观测器法、高频脉冲注入法、状态观 测器法等【7 1 。随着新型电力电子器件及数字信号处理器的发展，开关磁阻电机无 位置传感器的实现技术必将进一步的发展。同时，考虑到开关磁阻电机的参数时 变性和非线性，只有探索适应参数变化的实时位置检测技术，才能实现开关磁阻 电机的高性能控制。 ( 4 ) 加强对先进控制技术的研究和应用，提高电机运行性能 由于开关磁阻电机本身的电磁特性非线性及多变量的特点，使得其实时优化 控制存在一定的难度。近几十年来，线性控制理论、非线性控制理论和智能控制 理论都在开关磁阻电机控制中得到了应用。未来开关磁阻电机控制的发展趋势可 分为以下几个方面【3 】。一是建立更加精确的数学模型。多维系统辨识、小波模型、 神经网络建模等各种建模理论发展迅速，并且在控制系统中应用日益深入。开关 磁阻电机数学模型的研究也必然受到这一趋势的推动，结合各种现代建模理论的 3 第一章绪论 非线性数学模型将得到更加深入的研究。二是非线性控制理论、智能控制理论的 应用。尽管非线性控制理论和智能控制理论已经在开关磁阻电机控制系统中得到 了应用，但是控制效果并不理想，主要原因在于与控制理论相结合的控制策略还 不完善。可以预见，未来一段时间内，各种非线性控制理论、智能控制理论，将 与控制策略的研究同步进行，从而以更加有效的途径应用于s r d 系统中。三是 高性能驱动系统的研究。随着人们对开关磁阻电机非线性本质认识的加深，以及 对转矩脉动抑制策略研究的发展，必将促进人们加强对其应用的研究，为其在伺 服驱动等高性能驱动领域获得广泛的应用创造条件。四是数字控制技术和智能控 制算法的结合。随着微处理技术和数字信号处理技术的发展，利用先进的数字芯 片和微处理器实现开关磁阻电机的智能控制将得到广泛的关注，许多高校和科研 机构也增加了相应的投入，正在从事大量的研究。 1 2 人工神经网络 1 2 1 人工神经网络结构与特点 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e p a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是由神经元互联组成 的网络，它从微观结构和功能上对人脑进行抽象、简化而模拟人类智能，从而反 映人脑功能的并行信息处理、学习、联想、模式分类、记忆等基本特征o 】。单 个神经元模型如图1 - 1 所示。 图1 - 1 基本神经元模型 单个神经元有三个基本组成要素【8 】= ( 1 ) 一组连接( 对应于生物神经元的突触) ，连接强度由各连接关系上的权 值表示，权值为正表示激活，为负表示抑制。 ( 2 ) 一个求和单元，用于求取各输入信号的加权和( 线性组合) 。 ( 3 ) 一个非线性激励函数，起非线性映射作用并将神经元输出幅度限制在 4 第一章绪论 一定范围内。 以上作用可用数学式表示 ：圭t ，唯：刀p ：一最，几：妒( 咋) ( 1 - 1 ) j = l 式中石l ，x 2 ，劫为输入信号；w k l ，w k 2 ，为神经元尼与输入节点1 ， 2 ，p 的连接权值；搬为线性组合结果； 口i 为阀值；缈( ) 为激励函数；肷为 神经元k 的输出。若把输入的维数增加一维，则可利用阀值增加一个输入节点， 输入为1 或+ l ，连接权值为阀值。神经元激励函数可以是阶梯函数、分段线性 函数、s i g m o i d 函数等类型，不同激励函数的神经元有着不同的特性。 除神经元的单元特性外，网络的拓扑结构也是神经网络的一个重要特性。根 据连接方式不同，神经网络可分为前馈型网络和反馈型网络。前馈网络通常可分 为不同的层，且第k 层的输入只与第肛1 层输出相连，输入和输出节点与外界相 连，而其它中间层称为隐层；各神经元之间层层传递，没有反馈。前馈网络主要 是函数映射，可用于模式识别和函数逼近。反馈型网络所有节点都是计算单元， 同时也可接收输入，并向外界输出。反馈网络可用于各种联想存储器或用于求解 最优化问题瞄j 。 神经网络的工作过程可分为两个阶段：第一阶段是学习期，此时各计算单元 状态不变，通过学习来修改各连接关系的权值，学习方式主要分为有监督学习( 有 教师学习) 、无监督学习( 无教师学习) 、再励学习( 强化学习) 三种；第二个阶 段是工作期，此时各连接权值固定，计算单元变化，以达到某种稳定状态【8 】。 神经网络具有以下特点f 9 】： ( 1 ) 神经网络具有非线性逼近能力。由于神经网络具有任意逼近非线性映 射的能力，因此，神经网络在用于非线性系统控制时，具有极大的发展前途。 ( 2 ) 神经网络具有并行分布处理能力。神经网络具有高效并行结构，可以 对信息进行高速并行处理。 ( 3 ) 神经网络具有学习和自适应功能，能够根据系统过去的记录，找出输 入输出之间的内在联系，从而求得问题的答案。这一处理过程不依靠对问题的先 验知识和规则，因此，神经网络具有较好的自适应性。 ( 4 ) 神经网络具有数据融合能力，可以同时对定性数据和定量数据进行操 作。 ( 5 ) 神经网络具有多输入和多输出网络结构，可以处理多变量问题。 ( 6 ) 神经网络的并行结构便于硬件实现。 第一章绪论 从众多应用研究领域取得的丰硕成果来看，人工神经网络的发展具有强大的 生命力。当前存在的主要问题是：网络智能水平还不够高，许多应用方面的要求 还不能得到很好的满足；网络分析与综合的一些理论性问题( 如稳定性、收敛性 的分析，网络的结构综合等) 还未得到很好的解决；且所提出的神经网络模型， 无论从结构还是规模上，都是对真实神经网络的种简化和近似；神经网络的理 论仍有较多的缺陷，尚待进一步的发展与完掣8 1 。因此，要使神经网络走出实验 室，真正用于工程实践中，在诸多领域都还有许多工作要做。但随着人们对大脑 信息处理机理认识的深化以及人工神经网络智能水平的提高，人工神经网络必将 在科学技术领域发挥更大的作用。 1 2 2 人工神经网络在智能控制和系统辨识中的应用 自从上个世纪8 0 年代以来，多种神经网络模型得到了大量的研究，并在控 制领域得到了应用。尤其是从1 9 8 6 年r u m e l h a r t 的突破性研究以来，神经网络 与传统控制技术的结合取得了许多令人鼓舞的成果，研究方法不断涌现，理论探 索和工程应用并驾齐驱，同时也引起了人们对神经网络控制鲁棒性和稳定性的极 大关注【l o l 。 神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度，模拟人脑神经系统的运作方 式，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。维纳在 c y b e r n e t i c s ) ) 一书 中，揭示了机器和生物系统所共同遵守的信息和控制规律，为人工神经网络的应 用提供了理论依据。对于控制科学而言，神经网络的巨大吸引力在于： ( 1 ) 神经网络本质上是非线性系统，能够充分逼近复杂的非线性关系。 ( 2 ) 具有高度的自适应性和自组织性，能够学习和适应严重不确定性系统 的动态特性。 ( 3 ) 系统信息等势分布存贮在网络的各神经元及其连接权值中，故有很强 的鲁棒性和容错能力。 ( 4 ) 信息的并行处理方式使得快速进行大量运算成为可能。 这些特点使得神经网络在高度非线性和严重不确定性系统的控制方面具有 巨大的潜力。采用传统控制理论解决的各种问题，几乎都可以用神经网络控制技 术来解决，而许多传统控制技术不能解决的问题也可以尝试利用神经网络方法来 解决。目前，神经网络控制领域许多成功的应用事例使人们看到了智能控制时代 的来临。当然，由于受到当前神经网络硬件发展的制约，大规模应用的时代尚待 时日，但是，具备简单计算和智能模拟功能的神经芯片的成功研制已经使人们受 到了很大的鼓舞。 系统建模和辨识是控制理论的基本问题。人们依靠实验的方法，从实验观测 6 第一章绪论 数据中建立能够反映系统输入输出关系的模型j 这就是系统辨识研究的问题】。 过去几十年中，人们对线性系统的建模和辨识进行了深入的研究，总结出了一整 套成熟的辨识算法，可以建立具有较高可靠性的模型。然而在处理现实世界中的 非线性问题时，传统的辨识方法在理论研究和工程实践中都存在极大的困难，因 此当系统非线性严重且我们期望得到高品质的控制效果时j 具有非线性逼近能力 的神经网络就显示出明显的优越性。近年来，人们将神经网络模型引入非线性系 统建模和辨识中，利用神经网络所具有的对非线性映射的任意逼近能力，来模拟 实际系统的输入输出关系。利用神经网络的自学习、自适应能力，可以方便地给 出工程上易于实现的学习算法，经过训练得到动态系统的正向或逆向模型。 与传统非线性辨识方法不同的是，神经网络辨识不受非线性模型的限制。它 依据被控系统的输入输出数据对，通过学习得到一个描述系统输入输出关系的非 线性映射【l l 】。给定输入，即可以得到输出，而不需要知道输入和输出之间存在着 怎样的数学关系。这是目前非线性系统辨识中的一种新途径。多层前馈神经网络 具有逼近任意非线性映射的能力，目前在系统辨识和建模中得到了较多的关注。 n a r e n d r a 等人在其经典性文章中，阐明了多层前馈网络用于非线性系统辨识的可 能性，并提出了神经网络用于非线性系统辨识的一般性框架和方法，为进行复杂 系统的神经网络建模与辨识奠定了理论基础【l 训。 1 3 选题背景和意义 开关磁阻电机具有结构简单、转动惯量小、动态响应快等特点；且调速范围 较宽，既可以在低速下运行，也适合在高速场合下运行；其容量可设计成从几瓦 到几兆瓦。另外，开关磁阻电机在运行效率、可靠性等方面均优于感应电机和同 步电机，且可在散热条件差、存在化学污染等恶劣环境下运行。鉴于此，开关磁 阻电机有望在通用工业传动领域、家电领域、高性能伺服驱动领域、汽车电气传 动系统以及航空、航天等领域占有一席之地，因此得到了广泛的关注和研究。 磁链特性是开关磁阻电机的基本特性。获取开关磁阻电机磁链特性模型，对 于优化电机设计、提高运行性能具有重要作用【1 2 1 。检测开关磁阻电机磁链特性也 是进行其无位置传感器控制的必要步骤【1 3 】。国内外许多学者已在该方面作了大量 的研究工作，在实验研究和数值计算上都取得许多富有意义的成果 1 4 - 1 5 。由于开 关磁阻电机的双凸极结构，其磁链是转子位置角和绕组电流的非线性函数，因此 建立精确而且实用的磁链模型颇受关注，特别是随着现代控制理论和智能控制理 论在s r m 控制中的应用，建立精确的电机模型显得尤为重要【1 6 】。本文将在基于 d s p 的开关磁阻电机磁链特性检测上做出尝试，并且利用小波神经网络( w 打e l e t 7 第一章绪论 n e u r a ln e t w o r k ，简称w n n ) 建立开关磁阻电机的磁链特性模型。小波神经网络 作为r b f 神经网络的推广，结合了小波变换良好的时频局域化特性和神经网络 的自适应、自学习和鲁棒性，具有重要的研究价值。 开关磁阻电机调速系统是位置闭环系统，控制器必须借助转子位置信息获取 控制逻辑，以确保在合适的时刻接通或断开相应的相绕组。在传统控制系统中， 必须使用位置传感器直接检测转子位置信号，实现电机自同步运行【l l 。位置传感 器的存在使得系统结构复杂、成本增加、可靠性降低，削弱了s r d 控制系统的 优势。因此，开关磁阻电机的无位置传感器控制越来越多地受到了人们的关注【1 3 1 。 随着智能控制技术的不断进步，电力电子技术、数字信号处理技术的飞速发展， 无位置传感器控制的研究进入了一个崭新的时期。由于开关磁阻电机定转子为双 凸极结构，采用定子侧单边励磁，为了提高输出功率密度，电机通常运行于深度 磁饱和状态，这导致了开关磁阻电机的电磁特性呈高度非线性，在精确的数学模 型基础上实现转子位置的准确估计十分困难。人工神经网络的发展为解决这一问 题提供了新的思路【1 7 】。人工神经网络属于非线性动态系统，具有很强的自学习、 自适应和泛化能力，将其应用于开关磁阻电机转子位置估计的研究已经得到广泛 的重视【1 3 - 1 8 】，b p 神经网络和r b f 神经网络都在该领域得到了研究和应用。本 文将利用小波神经网络研究开关磁阻电机的无位置传感器控制策略。 1 4 本文研究内容与主要工作 本文将借助小波神经网络建立开关磁阻电机的磁链模型和实现无位置传感 器控制，以期为提高开关磁阻电机的运行性能和控制效果做出有益的尝试，研究 内容和主要工作有以下几点： ( 1 ) 分析开关磁阻电机的数学表达式，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立开关磁阻 电机控制系统仿真模型，并利用该模型获取仿真用的神经网络训练样本。 ( 2 ) 在研究开关磁阻电机磁链特性检测方法的基础上，建立基于d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的开关磁阻电机磁链特性检测实验系统，获取样机的磁链特性曲 线，并和理论分析值进行比较，验证检测方法的可行性。 ( 3 ) 以磁链特性检测系统实验结果作为训练样本，建立开关磁阻电机的小 波神经网络磁链模型，验证神经网络建模的可行性和准确性，并且讨论小波神经 网络建模的泛化能力。 ( 4 ) 利用m a t l a b 对神经网络进行离线训练，确定小波神经网络的结构和参 数，之后根据仿真模型利用小波神经网络在线辨识转子位置角度和换相逻辑，完 成开关磁阻电机无位置传感器控制仿真分析，验证小波神经网络在开关磁阻电机 8 第一章绪论 无位置传感器控制中的可行性，为硬件实现提供理论依据。 ( 5 ) 在分析开关磁阻电机工作原理和控制方法的基础上，建立基于d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的开关磁阻电机控制系统，检测电机的运行特性，将运行曲线和 仿真模型所得结果进行比较，验证仿真模型的精度，并利用该系统为研究开关磁 阻电机的无位置传感器控制提供实验基础。 ( 6 ) 利用开关磁阻电机d s p 控制系统获取训练样本，在m a t l a b 中完成小 波神经网络离线训练，之后将其用于开关磁阻电机换相逻辑在线辨识，检测小波 神经网络辨识结果的准确性。 9 第二章开关磁阻电机调速系统 第二章开关磁阻电机调速系统 本章首先介绍开关磁阻电机调速系统的基本结构；然后以四相8 6 极开关磁 阻电机为例，简要说明开关磁阻电机的工作原理、控制方式和特点；并根据开关 磁阻电机的非线性数学模型，建立基于m a t l a b s i m u l i n k 的开关磁阻电机控制系 统仿真模型。 2 1 开关磁阻电机调速系统结构 开关磁阻电机调速系统是一种新型的驱动系统，兼有交流调速系统和直流调 速系统的许多优点，如起动转矩大而起动电流却很小，起动转矩与起动电流比远 大于直流电机；在宽广的调速范围内效率较高；具有高性能可控制直流电动机的 特性，较变频调速系统灵活、方便；仅通过控制相绕组的接通、关断的时间或调 节加在绕组上的端电压即可得到满足各种需求的转矩速度特性【5 】。开关磁阻电机 调速系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成， 如图2 1 所示。 图2 1 开关磁阻电机调速系统基本结构 开关磁阻电机是s r d 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 有别于其它调 速系统的主要标志。开关磁阻电机与反应式步进电机相似，是双凸极可变磁阻电 机。其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，定 子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为“一相”。 开关磁阻电机定、转子的极数有多种不同的搭配，如6 4 、8 6 、1 0 8 等，可以设 计成多种不同的相数结构。开关磁阻电机的相数越多，步距角越小，则有利于减 l o 第二章开关磁阻电机调速系统 小转矩脉动，但将造成电机结构复杂、主开关器件增多、成本增加【i l 。目前开关 磁阻电机应用较多的是四相8 6 极结构。 功率变换器是开关磁阻电机运行所需能量的供给渠道，是连接电源和电机绕 组的开关部件，它包括直流电源和开关元件。由于开关磁阻电机绕组电流是单向 流动的，使得功率变换器主电路不仅结构简单，而且上下桥之间有绕组连接，不 会出现普通交流电机及无刷直流驱动系统中的短路故障。功率变换器主电路有多 种结构形式，常见的主电路拓扑结构有不对称半桥电路、双绕组电路、双电源电 路和能量再生式电路等形式。一般来说，选取理想的开关磁阻电机功率变换器的 原则是：电路拓扑与电机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等【1 9 1 。 除了电路拓扑结构外，功率电路主开关器件及其驱动电路也是影响开关磁阻电机 调速系统性能的一个关键环节。不可关断的晶闸管和具有关断能力的可关断晶闸 管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅极双极性 晶体管( i g b t ) 、m o s 场控晶闸管( m c t ) 和智能功率集成电路( i p m ) 等器 件都在开关磁阻电机调速系统中得到了广泛的应用瞄。 控制器是整个调速系统的中枢。它综合处理速度给定与速度反馈信号、相绕 组电流值、位置传感器检测结果，从而控制功率变换器中主开关器件的开通和关 断，实现对开关磁阻电机运行状态的控制。控制器一般由单片机或数字信号处理 芯片及外围接口电路组成。在s r d 中，要求控制器实现的功能主要为：电流斩 波控制，角度位置控制，起动、制动、停车及四象限运行，速度调节，欠压过压 监测，过流保护等。在无位置传感器控制中，控制器还需要利用电机的电气终端 信号确定换相逻辑，实现电机可靠换相和稳定运行。 位置传感器向控制器提供转子位置信号，使控制器能正确的决定绕组的导通 和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈法等方式进行位置检测。 现在，采用无位置传感器的位置检测方案是s r d 的发展方向，其对降低系统成 本、简化电机结构、提高系统可靠性具有重要的意义。 2 2 开关磁阻电机控制方式和特点 开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路 径闭合，而具有定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与 磁场的轴线重合。以图2 2 为例，当定子d 相励磁时，所产生的磁力将力图使转 子旋转到转子极轴线1 1 与定子极轴线d d 重合的位置，并使d 相励磁绕组的 电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，依次给d a b c 相绕组通电，转子就会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次 第二章开关磁阻电机调速系统 给b a d c 相通电，则电动机就会沿顺时针方向转动。开关磁阻电机的转 向取决于相绕组通电的顺序，而与相绕组的电流方向无关。并且，由图中可以看 出，当主开关器件导通时，相绕组从直流电源吸收电能；当主开关器件关断时， 绕组电流经续流二极管续流，并回馈给电源。因此，开关磁阻电机调速系统具有 再生制动能力，系统效率高【1 1 。 图2 - 2 四相8 6 极开关磁阻电机结构 开关磁阻电机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、串励特性 区，如图2 3 所示。 一 一。 l 。碴转矩医? ”恒功率区串励特性区+ ：饕 一 j 鼍 c c c 方式 。t = c o n s t 昊、 n = c o n s t t - n 2 = c o n s t + i n r 。： o 一! 图2 - 3 开关磁阻电机运行特性 在恒转矩区，电机转速较低，反电动势小，需要对电流进行斩波限幅，可采 用电流斩波控制( c c c ) ，也可采用电压p w m 控制方式；在恒功率区，通过调 节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制( a p c ) 方式； 1 2 第二章开关磁阻电机调速系统 在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均已固定，通过减小输出转矩来获得 较高的转速。转速疗l ，以2 为各特性交接的临界转速，其中刀l 是开关磁阻电机开 始运行于恒功率区的临界转速，定义为开关磁阻电机的额定转速，亦称为第一临 界转速，对应功率即为额定功率；n 2 是能得到额定功率的最高转速，当转速再增 加时，输出功率将下降，耽亦称为第二临界转速。 理论研究和实践表明，开关磁阻电机具有如下特剧1 】： ( 1 ) 电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，转子仅由硅钢片叠压 而成，可工作于极高的转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固， 工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动的环境。 ( 2 ) 损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高 的温升，且允许工作于极高的转速状态；转动惯量小，动态响应快。 ( 3 ) 转矩方向与相电流的方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数 量，降低系统成本；开关器件直接与电机绕组相连，功率变换器不会出现直通故 障，可靠性高。 ( 4 ) 电机起动转矩大，起动电流较小，低速性能好，不会出现异步电动机 在起动时所出现的冲击电流现象。 ( 5 ) 调速范围宽，控制灵活，易于实现特殊要求的转矩一速度特性，在宽 广的转速和功率范围内都具有高效率。 ( 6 ) 能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 开关磁阻电机的主要缺点是转矩脉动大，通常转矩脉动典型值为1 5 ，由转 矩脉动导致的噪声及特定频率下的谐振问题也较突出，增加相数可以减小转矩脉 动，但相数越多，主接线数越多，导致结构复杂，成本增加；电机需要根据定、 转子相对位置投励，因此控制较为复杂；电机不能像笼型异步电动机那样直接接 入电网运行，而必须与控制器一同使用。近几年来，随着研究的不断深入，s r d 的设计、制造和控制技术不断完善，开关磁阻电机的转矩脉动可以得到有效地抑 制，噪声可以做到高质量的p w m 型异步电动机的噪声水平，开关磁阻电机也必 将在调速领域占有自己的一席之地。 2 3 开关磁阻电机数学模型 2 3 1 基本方程式 为简化分析，假设开关磁阻电机满足以下理想模型的条件，即 ( 1 ) 主电路直流电源的电压( ) 稳定不变。 第二章开关磁阻电机调速系统 ( 2 ) 功率器件为理想开关器件，即开通和关断是瞬时完成的。 ( 3 ) 忽略铁心的磁滞损耗和涡流损耗，即忽略铁耗。 ( 4 ) 电机各相参数对称，各相绕组线圈正向串联，忽略相间互感。 ( 5 ) 在一个电流脉动周期内，认为转速恒定不变。 开关磁阻电机基本方程式主要由电动势平衡方程和转矩平衡方程组成。 ( 一) 电动势平衡方程 一台如图2 2 所示的g 相开关磁阻电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据 电路定律，可以写出开关磁阻电机第k 相的电动势平衡方程式 以瑚+ 警 ( 2 1 ) 式中巩为第肼目的端电压；兹为第瑚的电流；凤为第肼目的电阻；叛为第瑚的磁 链，可用电感和电流的乘积来表示，即 嵫= 三( ，力 式中矽为转子位置角；三( ，力为在位置护时电机相绕组电感。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，可得 ( 2 2 ) u = 墨t + 篑鲁+ 等警= 盈+ c 厶+ 鲁，警+ i k a a l 抄kd o c 2 引 式( 2 3 ) 表明，电路中电源电压由三部分电压降组成。其中，等式右边第 一项为第k 相回路中的电阻压降；第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电 动势，称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组磁链变化而感应的 电动势，称为旋转电动势，它在电感随转子位置变化时存在，其方向