[发明专利]磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统

摘要

本发明是一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络的磁链增量PID控制得到参考磁链，通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络的电流增量PID控制得到参考电流；磁链分配与电流分配得到三相参考电流与磁链，配合输入二维滞环控制器，得到恒转矩下有效的开关量。本系统信号处理器含有相关各运算模块和电流、磁链分配模块及二维滞环控制器。信号处理器接受电流和位置传感器信号，经各模块运算，得二维滞环控制器开关量，控制功率驱动器驱动SRM运行。实现输出电流收敛到参考电流，与此同时，输出磁链收敛到参考磁链，实现开关磁阻电机总转矩脉动的有效控制。

主权项

1.一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络的磁链增量比例积分微分控制得到参考磁链通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络的电流增量比例积分微分控制得到参考电流i_d(k)；通过电流分配函数和磁链分配函数分别得到三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量；三相磁链参考控制量与对应的三相输出磁链的差为三相磁链偏差；三相电流参考控制量与对应的三相瞬时电流的差为三相电流偏差；三相磁链偏差和三相电流偏差联合作为二维滞环控制器的输入，得到恒转矩下有效的滞环控制开关量，控制开关磁阻电机运行；/n本方法包括以下步骤：/nI、磁链双权值神经网络和电流双权值神经网络/nI-1、基于双权值神经网络的电流与磁链控制/n在本控制方法中，电流双权值神经网络与电流增量PID控制、磁链双权值神经网络与磁链增量PID控制结构一致；T_out为双权值神经网络的输出转矩，△u_d(k)是k时刻u_d(k)变量的增量，△u_d(k-1)是△u_d(k)的前一时刻值；fal(e)是对转矩偏差△T＝e预处理函数；/nI-11、电流双权值神经网络/nk时刻SRM的参考电流i_d(k)与其前一时刻k-1时刻SRM的参考电流i_d(k-1)的差为△i_d(k)，即i_d(k)＝i_d(k-1)+△i_d(k)；△i_d(k-1)为△i_d(k)前一时刻k-1时刻的值；/n电流双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出T_e、T_e前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出T_e-1以及k-1时刻参考电流的增量△i_d(k-1)，其输出为T_out1；T_out1与T_e的差值为电流双权值神经网络的监督学习信号；/n通过电流双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整电流增量PID控制器的三个参数增量△k_p1(k),△k_l1(k)及△k_d1(k)，△k_p1(k),△k_l1(k)及△k_d1(k)是对应k时刻的三个参数k_p1(k),k_l1(k)及k_d1(k)的增量，由此得到对应电流增量PID控制器的三个参数k_p1(k),k_l1(k)及k_d1(k)；/nI-12、磁链双权值神经网络/nk时刻SRM的参考磁链与其前一时刻k-1时刻SRM的参考磁链的差为即为前一时刻的值；/n磁链双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出T_e、T_e前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出T_e-1以及k-1时刻参考磁链的增量其输出为T_out2；T_out2与T_e的差值为磁链双权值神经网络的监督学习信号；/n通过磁链双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整磁链增量PID控制器的三个参数增量△k_p2(k),△k_l2及△k_d2(k)，由此得到对应k时刻的磁链增量PID控制器的三个参数k_p2(k),k_l2(k)及k_d2(k)；/n基于转矩偏差形成的增量PID控制的统一表达式如下所示：/nu(k)＝u(k-1)+△u(k) (1)/n△u(k)＝k_p(e(k)-e(k-1))+k_le(k)+k_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (2)/n其中，e(k)为k时刻的转矩偏差△T，e(k-1)表示e(k)前一时刻的值；u(k)表示i_d(k)和u(k-1)表示u(k)前一时刻的值；△u(k)表示△i_d(k)和k_p(k)、k_l(k)及k_d(k)分别对应表示k时刻的参数k_p1(k)、k_l1(k)及k_d1(k)和k_p2(k)、k_l2(k)及k_d2(k)；/n神经网络辨识输出的雅可比矩阵和统一用雅可比矩阵表示，用于在线调整PID控制器的参数；/n改进后的双权值神经元函数如下：/n /n其中，h_j为隐含层输出函数，f(x)为激活函数，x是函数自变量；T_out为双权值神经网络输出转矩，w_lj为方向权值，q_lj为核心权值，v_j为输出权值，b_lj为可调整的次幂，a₁范围0～1，次幂m范围1,2,3；x_l是隐含节点输入，l＝1,2,3，三个输入分别为：△u_d(k-1)，转矩T_e-1和转矩T_e；/nI-2、增量PID控制器的参数自适应调整/n对应离散域k时刻的转矩偏差△T＝e(k)进行预处理，得到本发明定义的转矩偏差预处理函数fal(e)，作为PID控制器的输入，其具体计算公式如下：/n /n其中，α为非线性因子，δ为线性区间长度，e是转矩偏差，sign(e)是符号函数；/n取/n /n其中xc(1)表示e(k)的k时刻偏差；xc(2)表示e(k)；xc(3)表示e(k)偏差的偏差，即xc(1)在k时刻的偏差e(k)；/n输入fal(e)的增量PID控制器为：/n /nu_d(k-1)是增量PID控制器输出u_d(k)的前一时刻k-1时刻的值；△u_d(k)是增量PID控制器的输出u_d(k)k时刻的增量；/n增量PID控制器的三个系数的调整采用梯度下降法，选取性能指标函数如下：/n /nT_d(k)为k时刻的给定参考转矩，T_e(k)为k时刻实测的SRM瞬时输出转矩；/n经偏差预处理后，在离散域中，k时刻的增量PID控制器的比例系数、积分系数及微分系数k_p(k),k_l(k)及k_d(k)对应增量分别为△k_p(k),△k_l(k)及△k_d(k)，具体计算式如下：/n /n其中分别代表△k_p(k),△k_l(k)及△k_d(k)的学习率；/n对应得到：/nk_p(k)＝k_p(k-1)+△k_p(k)，k_i(k)＝k_l(k-1)+△k_l(k)，k_d(k)＝k_d(k-1)+△k_d(k)，/n神经网络辨识得：/n /n其中，k时刻的控制量增量△u_d(k)未知，由于采样时间短，故用k-1时刻的增量△u_d(k-1)近似代替，由此带来的计算误差通过学习率的调整进行修正；/nⅡ、磁链与电流分配控制/nⅡ-1、磁链与电流分配函数的选择/n本发明电流分配选择立方分配函数，电流分配函数的表达式如下：/n /n其中，θ为转子位置角，θ_on为开通角，θ_ov为换相重叠角，f_l(θ)为电流分配函数；/n根据磁链与转矩关系的特点，改进余弦分配函数作为磁链分配函数，表达式如下：/n /n其中cos余弦函数，θ为转子位置角，θ_on为开通角，θ_ov为换相重叠角，为磁链分配函数；/n在换相区，通过分配函数对控制量进行分配，得到三相参考控制量；以A、B两相为例，当A相为关断相，B相为导通相时，三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量的求解式如下：/n /n /nⅡ-2、瞬时转矩与磁链的计算/n本发明采用由有限元数据分析构成的总电流与位置角对应的瞬时转矩表格，由当前时刻实测的总电流与当前位置角进行查表求得对应的当前瞬时转矩；/n某一相的瞬时磁链与该相的相电压及绕组压降有关，以A相绕组的磁链参考控制值的计算为例，计算公式如下：/n /n其中U_A、i_A、R_A分别为SRM绕组中A相的电压、瞬时电流和阻值；/nⅢ、磁链与电流联合滞环控制/n在导通区段，设计一个具有1、0和-1三种工作状态的滞环控制器；△I和分别表示电流偏差与磁链偏差；△I_max、-△I_max分别为电流滞环上下限，△I_max范围0.001～0.1，范围0.001～0.1，分别为磁链滞环上下限；导通区滞环宽度为2M，M为△I_max或者为/n在关断区段，设计一个只有1和-1两种工作状态的滞环控制器，磁链滞环上下限与导通区段相同；/n二维滞环控制器的开关状态的初值状态为0；依据单滞环控制逻辑控制磁链与电流的二维滞环控制器的开关状态；/n本方法磁链分配与电流分配联合控制，通过二维逻辑约束得到恒转矩下有效的开关量，控制开关磁阻电机运行；/n所述步骤Ⅲ磁链与电流联合滞环控制中，依据单滞环控制逻辑控制磁链与电流的二维滞环控制器的开关状态如下：/nⅢ-1、导通区/nⅢ-11、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，/n若△I≤M+△I_max且则开关状态为0；/n若△I>M+△I_max且△φ>M+△φ_max，开关切换到状态为1；/nⅢ-12、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，/n若△I<-M+△I_max且则开关状态为0；/n若△I≥-M+△I_max且则开关切换到状态为1；/nⅢ-13、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，/n若△I≤M-△I_max且则开关切换到状态为-1；/n若△I>M-△I_max且开关状态为0；/nⅢ-14、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，/n若△I≥-M-△I_max且则开关状态为0；/n若△I<-M-△I_max且则开关切换到状态为-1；/nⅢ-15、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率出现一正一负时，/n开关状态为0；/nⅢ-2、关断区：/nⅢ-21、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，/n若△I>△I_max且则开关切换到状态为1；/n若△I<△I_max且则开关状态为-1；/nⅢ-22、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，/n若△I>-△I_max且则开关状态为1；/n若△I<-△I_max且则开关切换到状态为-1；/nⅢ-23、当电流偏差△I的变化率大于0而磁链偏差的变化率小于0时，/n若△I>△I_max且则开关状态为1；/n若△I<△I_max且则开关状态为-1；/nⅢ-24、当电流偏差△I的变化率小于0而磁链偏差的变化率大于0时，/n若△I>-△I_max且则开关状态为1；/n若△I<-△I_max且则开关状态为-1；/nⅢ-25、当电流偏差△I的变化率及磁链偏差的变化率不满足Ⅲ-21～Ⅲ-24的条件时，开关状态保持原状态。/n