（电力电子与电力传动专业论文）基于神经网络的开关磁阻电动机无位置传感器技术.pdf

山东理工大学硕士学位论文a b s t m c t a b s 仃a c t d u et 0i t ss i i l l p l ec o 璐咖而o n ，r e l i a b i l i 够，1 1 i 曲e 伍c i e n c ya i l dl o wc o s t ，s 撕t c h e dr e l u c t a n c e n l o t o r ( s r m ) h a ss h o w nh u g cc o m p e t i t i v ep o w e ri nm a n yf i e l d s b u tm e c h a n i c a lp o s i t i o n s e n s o r sa d dt om ec o s t ，c o m p l e x i 母a n dp o t e n t i a li l l l r e i i a b i l i 妙a t l l i g hs p e e da n dt 1 1 i sh a s m o t i v 纳e dm ei n v e s t i g a t i o no fs e n s o d e s sp o s i t i o ne s t i m a t i o n b e c a u s eo fi t sh i 曲n o l d i i l e a r e l e c n o m a 蓼甜s mc h a 删：t e r i s t i c ，m es e n s o d e s s c o n n o lb a s e do na c c l 】r a 把m o d e lo fs l ：u 汀i sl 则 t ob ea c c o m p l i s h e d mr e c e n ty e a r s ，枷矗c i a ln e u m ln e 觚o r k ( p n t e c h n o l o g yh a sm a d ea g r e a tp m g r e s s ，w m c h 西v e sa 鹏wm e t h o d t 0a c c o m p l i s hp o s i t i o ns e l l s o d e s sc o n 缸d lo fs r m a n o v e li i l d i r e c td e t e c t i i l gm l 油o do fs i u m sr o t o rp o s t i o nb a s e do nb p a c kp r o p a g a t i o n ) n e u m l n e t w o r ki sp r e s e n t e di i l “sp a p e r f o rt l l ea d o m e dn e t v 旧r k ，m e 仃a i 血g 鼢as e ti sc o m p r i s e do f m a 鲷e t i z 撕o nd a ：t ao f l es f u f o rw m c ht h r e e p h a s ec 1 删a n dn u xl 姆a r ei 1 1 p u t sa n d 吐l ec o n e s p o n d i i l gp o s i t i o ni s t l l eo u t p u t ，1 eb pn e u r a l 饿舢o r kc a nb u i l du pac o n l a ：t i o n 锄o r 玛p l l a s ec u i t e n t ，p h a s en l 】) 【i i l l l 嘴ea r l dp o s i t i o n ，t t l e 陀b yf 砬i h t 疵i i l ge i i i i l i l l a t i o no fm e r o t o rp o s i t i o ns 黜r a t 岫p r e s e n ts t a g e ，i l lo r d e rt oe n s u r et h ef o r e c a s tp r e c i s i o n 砒l dt h ec o i e 略良l c er a l eo f n l en m r a ln 沌w o r k ，l en e u r a ln 咖r k t s 仃蛐gs 锄p l e 她i sg e r i e 】同l yt l l ee l e c t r i c a lm o t o r s q ) e r a t i o nd a ：t au 1 1 d e rm es p e c i f i e dc o n d i t i o n 、) v ：陆c hc a nn o tr e n e c t 1 er e a lr u m l i i l gs i t 嗽t i o no f l ee l e c t r i c a lm o t o r i i lv i e wo f “ss i t u a t i o 玛n l i sp a p e rp r o p o s e sam e m o db a s e do n 位l i i l i n g d a ：t ar e a l t i n l er e n e w a l ，a n di i l n o c i u c e st 1 1 ei d e at o l ei 1 1 p u tv e c t o ro fn i 州_ r a 】n 船o r k i nn e u r a l 咖r k s 觎i i l l j i l gp r o c e s s ，a c c o r d i n gt 0t 1 1 er e a lr u 彻【i 1 1 9s i t u a t i o no f 廿l ee l e c t r i c a li n o t o r ，t a k e s l e 廿1 l 优1 ，h a s ec u 玳毗n u 】( 1 i 1 1 l ( a g ea 1 1 dr o t o rp o s i t i o ni f ld i 鼬9 p e j r 乏畸o nc 沁蝴c e s a s 蛐gs 锄p l e ，t o 的i l lt h ees t a _ b l i s h e dn e u r a ln e t 、o r km o d e l 洫b a t c l l e s ，训lt h en e 铆o r k s f 0 眦a s tp r e c i s i o nt e l l d st ob es t a _ b l ea n dm e e tt l l e 州r e m e m t h es 曲u l 撕o nr e s u l t s 曲【o w 也a tn l ei m p r o v e db pn e 删n c 钾旧f i 【sp i d p o s e di 1 1t h ep a p e r c 觚r e a l i z es r mr o t o rp o s i t i o n sa c c w a t ep r 甜i c t i o ni nc a s eo fd i 氐r e mo p e l 俩o no fm e e l e c t r i c a lm o 幻r ，趾dr e a l i z i l l gm em o t o r sc o n t r o lw i 1 0 u tp o s i t i o ns e r l s o r t h en e u r a ln 舢o r k h a s1 1 i g hf o r e c a s t p r e c i s i o n ，f a v o r a b l e 由，i l a i i l i cc h a r a c t 舐s t i c s ，b e t t e ra d a p 油i l i 够锄d r o b l l s i m e s s k e yw o r d s ：s i u ( s 晰t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ) ；b pn e u r a ln c t 、0 d 【s ；h l d i r 优td 抵血g r o t o rp o s i t i o n ；m a t l a b s i i l l u l i i l k h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 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。 研究生签名；刍丰7 绛 时间：9 护罗年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：氇拓锋 别磁辄恢抑吣 时间：矽罗年多月日 时间：2 萨g 年月日 山东理工大学硕士学位论文第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 开关磁阻电动机调速系统概述 开关磁阻电动机调速系统( 简称s r d s 诵t c h e dr e l u c t 锄c ed r i v e r ) 是继变频调速、 无换向器电动机调速之后发展起来的最新一代无级调速系统，具有结构简单、运行可靠、 效率高及节能效果好( 在额定转速和额定负载时运行效率高达9 2 以上，在所有调速范 围内，效率高达8 0 以上) 、起动转矩大、起动电流小、能够软起动【l j 等突出特点，成为 交流电机调速、直流电机调速和无刷直流电机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者 和企业界的广泛关注1 2 j 【3 j 。 1 1 1 开关磁阻电机调速系统的组成 s r d 是一种新型的电动机调速系统，它具有电机结构简单、速度调节和控制性能好、 效率高等特点。在低压、小功率条件下，其性能远远优于普通的交、直流电动机【4 】。s i m 从功能部件上分，由开关磁阻电动机( s 埘t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s i u 旧、功率电路、角位 移传感器和控制电路四部分组成1 5 】，如图1 1 所示。 i l s r m l + 7 负载 i 。电源 l - r o _ - o o - _ _ _ o 7 。 l 。 上 - l 电流检测 位置检测 i 给定速度l - l 粹制由略侉一 -l 图l ls r d 系统框图 ( 1 ) s i 之m 的基本结构和运行原理 s i 己m 是s i m 中实现机电能量转换的部件，它的结构和工作原理与传统的交流电机 有很大的差别1 6 j 。它的定、转子均由硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定 子各极上有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。 s i 之m 可以设计成单相、两相、三相、四相及多相等不同相数结构，且有每极单齿结 构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向径向混合气隙结构，内转子和外转子 山东理工大学硕士学位论文第l 章绪论 结构。低于三相的s i 泓一般没有自起动能力【7 】相数多，有利于减小转矩波动，但会导 致结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是三相6 4 极结构和四相8 6 极结构，表1 1 为常见s r m 定、转子极数组合方案，本文所采用的是三相6 4 极结构。 表1 1 常见定、转子极数组合方案 s 壬u 的运行原理遵循“磁阻最小原理”，磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有 一定形状的转子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。 因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，电机转子就会连续转动起来。图1 2 所示 为一个四相8 6 极的s i m 截面图。 图1 2 四相8 6 极s i ：u 订典型结构原理图 当a 相绕组单独通电时，在电动机内建立以a - a l 为轴线的磁场，如图1 3 所示，该 磁场作用于转子，将产生使邻近的转子极与之相重合的电磁转矩，并使转子转动。若在 上述二者重合时改为b 相绕组通电，则由于定子极矩为4 5 度，而转子极矩为6 0 度。由 此产生的转距将使转子逆时针转动1 5 度。同理，再改为c 相通电时，转子继续逆时针 转动1 5 度。由此可知，若四相绕组轮流通电，即a b c d a ，则转子连续逆时针转 动。若改变通电相序为a d c b a ，则可使转子顺时针转动。若改变相电流的大小， 则可改变电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极转离定子极时通电， 所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单地改变控制 方式便可改变电动机的转向、转矩、转速和工作状态。 2 山东理工大学硕士学位论文第l 章绪论 a 潍相通电a ) b 相通电c ) c 相通电d ) d 相通电 图l - 3 四相轮流通电情况 ( 2 ) 功率变换器 功率变换器是s 献行时所需能量的供给者，由蓄电池或交流电整流后得到的直流 电提供电源。s r m 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普 通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是串联的，可以预防 短路故障。在整个s r d 成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换 器是提高s r d 的性能价格比的关键之一，功率变换器主电路形式的选取对s 蹦的设计也 直接产生影响，应根据具体件能、使用场所等方面综合考虑，找出最佳组合方案。目前， s r d 常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍的主要有不对称半桥电路、双绕组 电路和裂相式电路三种。而且随着人们对s r d 研究的深入，还有许多新的功率变换器主 电路不断被开发出来。 ( 3 ) 角位移传感器 为了在电动机运行过程中随时知道转子的瞬时位置，电动机中必须装置角位移传感 器，这是开关磁阻电动机与其它一般电动机的一个明显区别。要使电动机正常工件，须 在转子转到适当位置时导通适当的相绕组，并在转动过程中始终正确切换各相绕组。若 不能做到这一点，不但电动机不能按要求转动，还会发生停转、反转或乱转现象。 角位移传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的 导通和关断时刻。这里要求角位移传感器具有输出信号较大、抗干扰能力强、位置精度 高、温度范围宽、环境适应能力强、耐振动、寿命长和安装定位方便的特点。通常采用 光电器件、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置检测方法是 s i 的发展方向，对降低系统成本、提高系统可靠性有重要意义。 ( 4 ) 控制电路 控制电路的作用是根据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对系统进行相应调 节。使之满足预定运行工况。控制电路一般应包括下列几个部分： l 、操作电路。接受外部指令信号，如起动、转速、转向信号。这种外部信号可以是 来自手动操作，也可来自其它自动化元件。 2 、调节器电路。将给定量与被控量相比较，并按规定算法计算出控制参数的调节量， 如当转速低于给定值时通过调节加大绕组电流值。 3 、工作逻辑电路。决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速抑制方式 山东理工大学硕士学位论文第1 章绪论 等。 4 、传感器电路。检测系统工作中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压等。 5 、保护电路。当系统工作时某些物理量超过允许值时，采取相应的保护措施，如过 电流保护、过载保护等。 6 、信号输出电路。用于直接控制各被控量，如控制功率开关器件的导通与关断等。 7 、状态显示电路。用于指示系统工作参数和状况，如指示电动机转速、指示故障保 护情况等。 1 1 2s r d 特点 ( 1 ) 效率高 s i m 是一种非常高效的调速系统。一方面电动机转子不存在绕组铜损，另一方面电 动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。其电 机效率在很宽范围内都在9 0 以上，这是其它调速系统不容易达到的。 ( 2 ) 高启动转矩，低启动电流 本系统的一大特点是电机启动时控制器从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧就能 得到较大的启动转矩。典型产品的数据是：启动电流为1 5 额定电流时获得启动转矩为 1 0 0 的额定转矩。对比其它调速系统的启动特性，如直流电动机为1 0 0 电流，获得1 0 0 转矩；笼型异步电动机为3 0 0 的电流，获得1 0 0 的转矩。启动电流小，转矩大的优 点还可以延伸到低速运行段。因此本系统十分适合那些需要重载启动和较长时间低速重 载运行的机械，如电动车辆等。 ( 3 ) 结构简单、成本低、适用于高速 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼型异步电动机还要简单。其突出的 优点是转子上没有任何型式的绕组，因此不会有笼型异步电动机制造过程中笼条铸造不 良等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转( 如每分钟上万转) 。在定子方面， 它只有几个集中绕组，因此制造简便，绝缘简单。 ( 4 ) 各相独立工作，可构成可靠性极高的系统 从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生 电磁转矩，而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转 磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般 也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只须 停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其它障碍，因此s r d 可构成 可靠性极高的系统，可以适用于宇航等特殊场所。 ( 5 ) 可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电动机运行的主要参数和常用方法至少有四种：开通角、关断角、相 电流幅值、相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行 要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，既可使之运行于最佳状态( 如出力 4 山东理工大学硕上学位论文第l 章绪论 最大、效率最高等) ，又可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。如使电动机具有 完全相同的四象限运行( 即正转、反转、电动、制动) 能力，并具有高启动转矩和串励 电动机的负载能力曲线。 ( 6 ) 适用于频繁起停以及正反向转换运行 本系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电 动机和控制器发热比连续额定运行时还小。可控参数多使之能在制动运行时同电动运行 时具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁 起停以及正反向转换运行，次数可达1 0 0 0 次小时。这类生产机械有龙门刨床、铣床、 冶金行业可逆轧机、飞锯、飞剪等。 ( 7 ) 可通过机和电的统一协调设计，满足各种特殊使用要求 当然，s r d 也存在一些不足，如振动噪声较大、低速脉动转矩较大等。随着有关研 究工作的深入，这些缺点正在被逐步克服。 1 2 课题的研究背景和意义 开关磁阻电动机正常工件时，须在转子转到适当位置时导通适当的相绕组，并在转 动过程中始终正确切换各相绕组。这就需要在s r m 运行过程中随时知道转子的瞬时位 置，这是开关磁阻电动机与其它一般电动机的一个明显区别。s i 圆转子位置检测的方案 有很多种，一般可以分成有位置传感器转子位置检测和无位置传感器转子位置检测两大 类。前者是指通过使用角度位置传感器直接获得转子位置信息的方法，一般的位置检测 方法是由光电式、电磁式、磁敏式等位置传感器来实现的。转子位置传感器的存在增加 了s r d 的成本和复杂性，另外这些传感器的工作性能受环境的影响很大，从而降低了系 统的可靠性【8 】。后者是指利用s i 的某些电气参数来解算或估算转子位置的方法。现在 s r m 无位置传感器已经成为s i m 研究领域的热点【9 】 无位置传感器转子位置检测技术与有位置传感器转子位置检测技术相比有如下一些 优点【1 0 】： 1 、取消了转子位置检测的机械结构； 2 、实现方法是利用s i 的电气参数与转子位置的函数关系解算出来的； 3 、能得到连续的转子位置信息以利于优化控制： 4 、抗干扰能力强； 5 、可靠性高； 同时无位置转子检测技术也存在着一定的问题，例如：需要研究电机的静态、动态 特性，且对控制器的运算速度有较高要求，精度略低。 总之，无位置传感器s i m 提高了系统的运行性能，拓宽了系统的应用领域，具有重 要的意义。 山东理工大学硕士学位论文第l 章绪论 1 3 国内外研究现状 国际上对无位置传感器转子位置检测技术的研究始于1 9 8 4 年，各国学者在二十多年 的研究工作中，提出了多种间接位置检测方案，大致可以分为以下三大类：一是导通相 检测法，二是非导通相检测法，三是基于智能控制的检测方法。 ( 1 ) 导通相检测法 导通相检测法是利用导通相导通时所表现出来的相绕组特性来检测转子位置，常用 的方法包括：电流波形监测法、状态观测器法、磁链法等。此类方法需要比较准确的电 机模型或某些特性曲线，算法复杂，估算速度受到控制器与算法限制。 1 、电流波形检测法【1 1 d 3 。 该方法由英国剑桥大学的a c a m l i 可等人于1 9 8 5 年提出的，是最早的无位置传感器 检测方案。由于s i m i 的相电流变化率取决于增量电感，而增量电感又是由转子位置决 定的，因此根据这一规律可解算出转子的位置。 这一方案原理简单，不需要外加电路。缺点是电感的计算时间较长，算法易受噪声 信号的影响，a 仍转换环节存在延时等。 2 、观测器的检测方法【1 4 j 【1 5 j 1 9 8 6 年由ia l l t l s d a i n e 等人提出针对s r m 相电感与转子位置的函数关系引入一个状 态观测器进行转子位置估计的方法。该方法假设电机参数己知，首先根据电机的电磁特 性和机械特性建立电机的线性状态方程，然后通过选择适当的状态变量( 可以选择转速、 位置角、磁链等) 和输入变量( 电压) 及输出变量( 电流) ，建立由电机本身固有的一些 物理参数所决定的状态观测器方程，通过检测电机端口相电压信号和相电流信号即可估 计出转子的位置角。 此方法通过测量端口的电压与电流值就可获得转子位置信息，无需注入激励脉冲信 号。其缺点是需要建立精确的s i u 州 线性数学模型；。系统结构复杂，成本高。 3 、磁链法l j 刨 磁链法于1 9 9 1 年由j l y o l l s 等人首次提出，该方法是依据s r m 磁链、电流和转子位 置角之间的关系。在s i 洲中忽略绕组互感的影响，则转子位置角为绕组磁链和绕组电流 的函数，并且可以证明其为单值函数，如果已知当前时刻的绕组磁链和绕组电流，则可 以知道转子位置。 此方法原理简单，但由于要建立并查找一个电流刀滋链腔置的三维表，算法复杂， 计算时间长，占用内存大，灵活性差等。 ( 2 ) 非导通相检测法 非导通相检测法通过控制向非激励相注入高频低幅的测试信号，测量出电流或其它 信息，通过计算和分析得到转子位置信息，常用的方法包括：频率调制法和两相脉冲激 励法等。此类方法算法比较简单，适合于电机启动和较低转速时的转子位置估计，但由 子测量过程需要注入高频激励信号，易引起负转矩，影响整个系统出力和效率，另外使 控制电路复杂。 6 山东理工人学硕士学位论文第1 章绪论 1 、频率调制法【1 7 】【1 8 】 频率调制法于1 9 9 0 年由e t 瑚l l im 等学者提出，其基本思想是：采用调频f m 编码 技术产生一系列频率与瞬时相电感成比例的方波信号。通过设计电路将被测相电感大小 转换为频率( 或周期t ) 的大小，如果电路参数选择合适，则l 和周期t 之间有如下的 关系：t = k l ( k 为比例常数) 。由此可获得相电感的频率编码信号，将此信号送给微处 理器，利用饥，变换器就可得到与频率成正比例的电压，将此电压与设定的阀值比较从 而获得转子位置信息。 此方法的优点为：频率调制器可以工作在o 10 0 m z 的宽调制范围内，分辨率高； 缺点为：需要给每一相加检测脉冲，增加了控制线路的复杂性，工作点不易稳定，易受 干扰。 2 、两相脉冲激励1 1 9 j 2 0 0 1 年哈尔滨理工大学的王旭东教授等人提出了两相激励脉冲的检测方法。其原理 是：当s i ：u 的一相正在工作时，对另外两个相邻的非工作相同时施加脉冲激励，得到 相应的响应电流，比较其响应电流的大小来决定下一相何时导通。 该方法的优点是：由于换相点的判断只与响应电流的相对变化有关，而与其值的大 小无关，因此这种方法的抗干扰性较强。采用两个非工作相进行判断，不仅提高了判断 的精度，而且还可以减小电压波动和负载波动的影响，从而减小了检测误差。缺点是： 需要外加检测电路，成本高，增加了系统的复杂性。 ( 3 ) 基于智能控制的检测方法 随着智能控制理论的飞速发展，国内外的许多专家学者将智能控制的方法引入到 s r m 无位置传感器的研究当中。目前研究较多的是模糊控制法及神经网络法。 l 、模糊控制法【2 0 j 1 9 9 6 年c h e o ka 等人根据的s r m 的电磁特性建立合理的模糊规则库，定义磁链、电 流为输入，位置角为输出，建立一个双输入、单输出的模糊控制模型，检测得到的磁链、 电流通过模糊控制模型就可推理得到位置角的模糊输出。 这种方法的优点是：不需要建立电机精确的数学模型，实时性好，抗干扰能力强， 鲁棒性好，不需要附加检测电路。不足之处在于：模糊规则不易调节，自适应能力差。 2 、神经网络法【2 旧】 该方法利用神经网络能够任意逼近函数的特点，把对应关系的转子位置角、电流、 磁链作为神经网络学习的样本，选择合适的网络模型结构，通过对大量样本数据进行训 练，建立能准确反映位置角、磁链及电流的非线性关系的神经网络模型，从而可实现转 子位置的检测。 这种方法的优点是：不需要建立电机的数学模型，鲁棒性好，适应性强，不需要附 加检测电路。不足之处在于：需要大量的训练数据，学习时间较长。 除此之外，也有在s r m 内部附加某些电元件，利用这些电元件输出的信息来检测转 子的位置【2 4 l 【2 5 1 ，但此种方法需要额外的硬件电路，增加了s i 的成本和复杂性。 7 山东理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 综上所述，早期以建模为基础的转子位置检测方法采用包含大量数学计算的简化线 性模型，或者采用查询大量数据表的方法。而在实际当中，由于电机经常工作在饱和状 态，系统只能用非线性模型来描述，而且复杂的数学计算需要实时快速的处理器，这对 电机传动控制系统不适合。采用数据查表的方法需要大量的存储空间，并且要求系统输 入信号无噪声干扰，由于电机传动系统经常工作在电磁噪声干扰环境，测量信号势必存 在误差，在实际应用中此方法也难以实现。目前间接转子位置检测方法一般采用给非通 电相绕组通入低电平检测信号或在不使用附加信号的情况下检测电机通电相电压、电流 波形等方法获得。然而在实际应用中，当电机工作在低速、高速或过渡过程时，这些方 法存在许多问题，不能提供电机转子的准确位置。 本文针对以上问题，研究了基于神经网络的转子位置检测方法，这种方法无需附加 检测电路和检测信号，无需建立s i 洲的数学模型，无需进行复杂计算，能够提高转子位 置估算精度。 1 4 本课题的研究内容 本课题主要研究内容有： ( 1 ) 分析了现阶段无位置传感器检测技术的国内外现状，以及这些技术中存在的问 题。 ( 2 ) 利用m a l l a b s i n m l i l l l ( 里的s r m 模型和其它基本模块，搭建三相6 4 极s r d 调速系统仿真模型，以该模型为研究对象进行仿真分析。 ( 3 ) 提出了一种利用改进的b p 网络来实现s r m 无位置传感器的转子位置检测方 法，该方法利用改进的b p 网络建立s r m 相电流、磁链与转子位置之间的非线性映射， 从而实现s i m i 无位置传感器的转子位置检测，并利用m a t i ，a b 中的神经网络工具箱对 提出的网络模型进行验证。 ( 4 ) 针对常规基于神经网络的检测方法只以s i u m 单相运行数据对网络进行训练的 弊端，提出了运用电机三相的运行数据对网络进行训练。 ( 5 ) 针对b p 网络检测中存在的问题，提出了一种训练数据的改进方法，利用不断 在线更新的电机数据作为神经网络的训练样本对网络进行训练，修正网络参数，并对提 出的算法进行仿真验证。 1 5 本章小结 本章首先介绍了s i 的组成、工作原理、特点，其次介绍了本课题的研究背景和意 义，再次分析了开关磁阻电动机转子位置间接检测技术在国内外的发展与现状和存在的 问题，最后介绍了本文的主要研究内容。 8 坐奎翌三奎兰堡主兰篁论文第2 章s r m 的非线性模型 2 1s 州数学模型 2 1 1 电动势方程式 第2 章s r m 的非线性模型 如图所示，一台q 相s 蹦，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律，可以写 出s r m 第七相的电动势平衡方程式： 牧= r + 华 j ( 2 1 ) “f 式中为第k 相端电压， r 为第k 相的电阻， 为第k 相的电流， 虬为第k 相的磁链。 在s r m 中，各相绕组的磁链是转子位移角和各相绕组电流的函数，故磁链帆为 女2y ( ，之，；9 )( 2 2 ) 如果忽略电阻压降，并假设磁路为线性，则式( 2 1 ) 可写为 = 警= 鲁+ 等q = q + ( 2 3 ) 式中q 为机械角速度，q ：塑， 讲 巳为由于磁链变化在绕组中引起的感应电动势，称为变压器电动势， 乞为由于转子旋转使绕组交链的磁链变化引起的感应电动势，称为旋转电动 势。 进步考察s r m 能量流，式( 2 4 ) 表明，输入功率的一部分转为磁场储能增量； 另一部分则为输出的机械功率。可以说，s 壬u 正是利用其不断的能量储存、转换而获得 高效、大功率的性能。 = 丢c 扣，务q 9 ( 2 4 ) 山东理工大学硕士学位论文第2 章s r m 的非线性模型 2 1 2 转矩方程式 当电动机电磁转矩乃与作用在电机轴上的负载转矩不相符时，转速就会发生变化， 产生角加速度d q 西，根据力学原理，可以写出这时的转矩方程式： 艺= ，署+ q + 乏 ( 2 5 ) 或 = ，窘岷警+ 乃 式中j 为系统转动惯量， 磁为摩擦系数， 正为负载转矩。 当s 刚稳态运行时，d q 西未o ，则： = k q q + 瓦 电磁转矩可以表示为磁共能的函数 下a 形( ，f 2 ，t ，；秒) 2 历_ 一 综上所述，s r m 的基本方程组可以写为： = r t + 警 = y ( ，之，；p ) 瓦= ，罢+ q + t q ：塑 讲 个a 矿( ，f 2 ，& ，；p ) 丁= 一二! 二二二_ 二三：j l 二二二 a 护 七= l ，2 ，口 ( 2 石) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 由于电路、磁路的非线性和开关性，使得式( 2 9 ) 描述的基本方程组很难计算。在 式( 2 9 ) 中各相绕组电压、内阻和负载转矩z 一般已知，电机的转动惯量j 、摩擦系数 k ，和转子角速度q 可以通过测量方式得到，不容易得到的关键变量是磁链，磁链的获 得途径主要有两条：是测量；二是计算。采用测量途径，需要测量大量数据，非常烦 琐，工作量大。采用计算方式，则需要有简单、合理的计算方法。目前对磁链的获得途 径多集中于计算方式。磁链己知后绕组电流和转矩就可以通过计算得到，对式( 2 9 ) 的计 算通常根据具体运行状态和研究目的进行必要的简化。目前主要有线性模型、准线性模 l o 山东理工大学硕士学位论文第2 章s r m 的非线性模型 型和非线性模型三种求解方法：线性模型有利于对s i m i 的定性分析，了解其运行的物 理状况、内部各物理量的基本特点和相互关系；准线性模型具有一定的计算精度，多用 于分析和设计功率变换器和制定控制策略；非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是 电机设计的必需手段，本文采用的是非线性模型。 2 2s i 洲非线性磁链模型 对于s r m 方程式的非线性求解方法，国内外已经提出许多计算方法，这些方法可 归纳为两大类。 第一类是以数值方法或试验方法所获得的完整的电机磁化曲线为基础，建立数据库 或磁化曲线进行模化，从而计算电机的运行性能。j m s 吼) i l e n s o n 和j c o r d a 提出的非线 性磁参数法即是这种方法的典型代表。该方法利用计算或测量的磁化曲线族，建立 f ( 臼，沙) 表格形式电机磁特性，用四阶龙格库塔法求解适当形式的绕组电压方程，求解过 程中不需要计算微分系数，输入数据较少，计算结果比较精确，很快被应用于s i u 稳 态性能的仿真。 第二类是利用s r m 几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子位移角的函 数进行模化，插值求取中间位置磁特性。典型代表是t j e m i l l e r 等提出的一种快速非线 性法。该方法以对齐和不对齐位置磁化曲线为基础，推导出电磁转矩的解析计算公式， 计算速度快，计算精度较好，被实际应用于s r dl t d 公司的s i u m 电机设计。 非线性磁参数法等计算方法虽然计算准确，但速度较慢，依赖于特定方案的磁化曲 线数据库，不适宜于要求计算大量方案的优化设计。t j e m i l l e r 的快速非线性方法准确 性远不及非线性磁参数法，但其计算速度快，需提供的参数少，且容易测量等特点使其 得到了广泛应用，s i 肌l l i n k 中的s r m 模型选用的就是该磁链模型，下面对其详细介绍。 图2 1 非对齐位置和对齐位置磁化曲线及参数关系图 山东理工大学硕士学位论文第2 章s r m 的非线性模型 图2 1 幽所示为s i 蝴的非对齐位置和对齐位置磁化曲线两条特殊位置磁化曲线，非 对齐转子位置的磁化曲线( q 轴) 被一条直线所描述，这条直线的斜率为最小电感厶： = 厶， ( 2 1 0 ) 对齐转子位置的磁化曲线( d 轴) 是一个关于定子电流i 的非线性函数： = 三如。f + 彳( 1 一p 一例) ( 2 - 1 1 ) 这里k 是d 轴饱和电感，彳和b 是常数，由f = o 和f - l 的工作状态决 定( 乙是定子绕组的最大电流) 。 不妨假定电机在汪乞处完全饱和，则有p 一甄o ，常数a 和b 的值可由式( 2 1 2 ) 和 ( 2 1 3 ) 计算得到： 彳= 一乞讲l ( 2 1 2 ) b = ( 厶一厶拗) ( 三踟l )( 2 - 1 3 ) 这里厶是d 轴非饱和曲线电感，。是在待l 处的最大磁链值。 在d 轴转子位置和q 轴转子位置之间响应转子位置的磁化曲线可由两个极限磁化曲线 和虬通过非线性函数厂( p ) 计算得到。厂( 日) 可近似表示一个标准结构的s r m 的可变 磁链随转子位置的变化关系，其表达式可写成如下通用形式： 厂( 秒) = ( 2 职万3 ) 口3 一( 3 孵万2 ) 秒2 + 1 ( 2 1 4 ) 这里，是转子极数。由此，s i 蝴的磁化曲线可写成定子电流和转子位置的函数： 2 3 本章小结 i 矿o ，秒) = 厶f + 【如，f + 彳( 1 一p 一威) 一厶f 】厂( 口) ( 2 1 5 ) 本章介绍了s r m 的数学模型及其基本方程式等基础知识，在此基础上引出了s i 湖 的几种典型建模方法，并根据仿真建模的需要重点介绍了t j e m i l l e r 的快速非线性的理 论模型，为后面章节对s r d 进行建模及仿真模型的应用奠定了基础。 1 2 山东理工大学硕士学位论文第3 章b p 神经网络的改进 第3 章神经网络的基本知识 3 1 神经网络的基本理论 神经元的数学模型首先是由m c c u l l o c h 和p i t t s 于1 9 4 3 年提出的。有若干个神经元按照 一定的关系相互连接起来，就构成了神经网络。神经网络模型用于模拟人脑神经元的活 动的过程，其中包括对信息的加工、处理、存储和搜索等过程1 2 7 j 。 人工神经网络吸取了生物神经网络的许多优点，因而有其固有的特点： ( 1 ) 高度的并行性 人工神经网络是由许多相同的简单处理单元并联组合而成，虽然每个单元的功能简 单，但大量简单处理单元的并行活动，使其对信息的处理能力效果惊人。 ( 2 ) 高度的非线性全局作用 人工神经网络每个神经元接受大量其它神经元的输入并通过并行网络产生输出，影 响了其它神经元。网络之间的这种互相制约和互相影响，实现了从输入状态到输出状态 空间的非线性映射。从全局的观点来看，网络整体性能不是网络局部性能的简单迭加， 而表现出某种集体i 生的行为。 ( 3 ) 良好的容错性与联想记忆功能 人工神经网络通过自身的网络结构能实现对信息的记忆，而所记忆的信息是存储在 神经元之间的权值中，从单个权值中看不出所储存的信息内容，因而是分布式的存储方 式。这使得网络具有良好的容错性，并能进行聚类分析、特征提取、缺损模式复原等模 式信息处理工作；又宜于做模式分类、模式联想等模式识别工作。 ( 4 ) 较强的自适应、自学习功能 人工神经网络可以通过训练和学习来获得网络的权值和结构，呈现出很强的自学习 能力和对环境的自适应能力。 3 2b p 神经网络 b p 神经网络是目前研究最多、应用最广泛的一种多层前馈神经网络，目前已被成功 应用于模式识别、智能控制、预测、图像识别等领域，它的特点主要在于误差的反向传 播算法( 连接权的调整采用反向传播算法) 。已经证明，具有至少一个隐层的多层前馈网 络，如果隐层单元足够多，那么利用扁平激励函数和线性多项式集成的函数，可以对任 意函数逼近到任意精度瞄j 。 b p 网络是正向、各层相互连结的网络。输入信号通过输入层向前传递到隐层节点。 隐层部分的神经元处理完毕后将输出结果传递到输出层节点，最后给出输出结果。在b p 1 3 山东理工大学硕士学位论文第3 章b p 神经网络的改进 神经网络中，作用函数一般采用s i g m o i d 函数，它的学习过程由正向传播和反向传播两个 部分组成。在正向传播过程中，输入信息从输入层经隐层逐层处理，并传向输出层，每 一层神经元状态只影响下一层神经元状态。在输出层输出信号与期望值进行比较，如果 存在误差，则将误差沿原来的连结路径返回，通过修改各层间节点的连结强度( 权值) ， 使误差信号减小，直到把误差限定在预先规定的范围。 对于b p 神经网络，如果输入层共有n 个输入节点，分别为x 胪x ，：，x 册输入节点将 值传递给隐层，送到隐层中第j 个节点的总输入为： f 6 力2 厶，靠 ( 3 - 1 ) ， 式中，上标h 表示为隐层， w 。是第i 个输入节点到第j 个隐层节点之间的权值。 如果这个节点的激励等于总的输入，神经元的作用函数是s i g m o i d 函数，则这个节点 的输出可以表示为： d 刍= ( 1 + p s 玉) 一1 ( 3 - 2 ) 对于输出节点，类似的有： s ；七= w 弓d 刍 f ( 3 - 3 ) d & = ( 1 + p s ：i ) 一1 ( 3 _ 4 ) 式中，上标表示输出层， 是第l 订输入节点到第j 个隐层节点之间的权值。 b p 网络的训练是根据输出与期望之间的误差更新网络的权值来实现。输出层所有输 出节点的误差的平方和为： 乜= 去( o 一吸) 2 ( 3 - 5 ) t = l 式中，吸是第k 个节点的实际输出， p 表示为第p 次训练， 聊为输出节点数。 为了决定权值改变的方向，必须计算q 对权值的负梯度晦，然后调节权值， 使总的误差减少。由式( 3 5 ) 有 瓷一c 一，番。蔫 1 4 ( 3 - 6 ) 山东理工人学硕士学位论文第3 章b p 神经网络的改进 嘉：( 嘉壹呀叱) = 啡 a 呀a 呀台”扩铴 ( 3 7 ) l 为隐层节点数，将式( 3 石) 和式( 3 7 ) 合起来，对负梯度，我们有 一象= ( k 二) 芹( ) 啡 ( 3 8 ) 式中暂时用芹( ) 代替篝。就权值变化的幅度而亨，取它正比于负梯度：因此， 输出层的权值按下式更新： 即 式中 吆o + 1 ) = 吆o ) + p w 二o ) p 吆( f ) = 刁( k 一吆) ( 难) 磷 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 式中，刁为学习速率，是正值且小于l 。在b p 网络中非线性函数具有s i 鄹i d 形式， 这样 片( s ) = ( 1 + p s ；) 一1 片= 六。( 1 一片) = d ；。( 1 一d 二) 所以输出层的权值的更新方程为： ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) w p ：( f + 1 ) = 嵋。( f ) + ，7 ( f 肚一d 二) d 二( 1 一d 二) d 0 ( 3 1 3 ) 隐层权值的更新与输出层相仿，隐层的权值的更新方程为： 够o + 1 ) = 吃( f ) + 刁硝( 1 一) ( 一) ( 1 一) 嵋 ( 3 1 4 ) b p 算法的流程图如下： 1 5 图3 1b p 算法的流程图 b p 的算法可以归纳如下： ( 1 ) 将权值和偏置初始化。把所有的权值和节点的偏置都设置成较小的随机数。 ( 2 ) 提供输入和期望输出。提供一个连续的输入向量并指定期望输出。 ( 3 ) 计算实际输出。利用s i g m o i 羽e 线性函数和公式( 3 4 ) 计算输出层和隐层各节 点的输出。 ( 4 ) 调节权值。利用回归算法，先从输出层开始，以后返回到隐层，直到第一隐层。 权值更新的计算用式( 3 1 3 ) 和式( 3 1 4 ) ，直到误差达到要求。 3 3 对于b p 网络的改进 虽然反向传播法得到广泛的应用，但它也存在自身的限制与不足，其主要表现在于 它的训练过程的不确定上。具体说明如下例： ( 1 ) 需要较长的训练时间 对于一些复杂的问题，b p 算法可能要进行几小时甚至更长的时间的训练。这主要是 由于学习速