基于BP網絡的開關磁阻電機變磁鏈DTC方法研究

肖勁飛侯媛彬王勉華王瑞西安科技大學電氣與控制工程學院西安航空動力控制科技有限公司設計研究所

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基于BP網絡的開關磁阻電機變磁鏈DTC方法研究

肖勁飛1侯媛彬1王勉華1王瑞2
西安科技大學電氣與控制工程學院1西安航空動力控制科技有限公司設計研究所2

摘要：文章針對傳統定磁鏈雙閉環DTC 調速系統穩態時定子電流幅值較大、電機銅耗增加的問題，提出了變磁鏈給定的解決方案，建立了變磁鏈三閉環DTC調速系統。仿真結果證明，此調速系統動、靜態性能良好，既能充分抑制SRM的轉矩脈動，又能在穩態時降低定子電流的幅值，解決了電機高速時銅耗較大的問題。另外，針對變磁鏈三閉環DTC調速系統控制參數復雜，實時性要求高的特點，文章將BP神經網絡PID控制器與傳統PI 控制器復合，構成了BP-PI控制器。仿真表明，BP-PI控制器有效克服了單一神經網絡DTC控制器存在的缺陷，動、靜態性能明顯優于傳統PI 調節器，顯著提高了調速系統的自適應性和魯棒性。

關鍵詞：開關磁阻電機 直接轉矩控制 變磁鏈 BP-PI

開關磁阻電機（SRM）具有結構簡單、堅固、可靠性高、調速性能優異、控制系統靈活等諸多優點，近年來受到廣泛關注。但SRM特殊的雙凸極結構和工作方式造成其轉矩脈動較大。本文從改善控制策略角度出發，深入研究了抑制SRM轉矩脈動的方法。本文將直接轉矩控制（DTC）的方法應用于 SRM的調速系統（SRD ）。與當前 SRD 中廣泛使用的電流斬波控制、角度位置控制、電壓PWM 控制方式相比，DTC直接把電磁轉矩作為控制對象，在整個控制過程中，無須改變控制策略，全速度范圍內通用性強，能夠有效減少電機轉矩脈動及由此引起的噪聲。Matlab-Simulink建模仿真證明，傳統的定磁鏈給定直接轉矩控制控制策略雖能有效抑制SRM的轉矩脈動，且保證電機定子電流與磁鏈波形連續、平穩，卻存在穩態時電機定子電流過大的問題。針對該問題，本文提出了變磁鏈給定的直接轉矩控制方法，并通過仿真證明了此控制方法的有效性。另外，針對本文中研究的，具有多變量、強耦合、非線性特征的，基于變磁鏈DTC 的SRM調速系統，本文充分利用傳統PID 控制算法簡單、可靠性高和神經網絡控制參數在線自整定、魯棒性強的優點，將神經網絡PID 控制與傳統PI 控制相結合，構成了BP網絡PI 復合控制器。

1　SRD 的變磁鏈DTC方法研究

1.1 傳統定磁鏈雙閉環DTC結構

傳統的調速系統一般采用如圖1所示的雙閉環控制結構。其中速度外環以速度給定V*為輸入，以速度誤差 V為調節量對調速系統進行控制。轉矩內環以轉矩給定T*為輸入，以轉矩誤差 T為調節量實現SRM的DTC控制。電機磁鏈的工作點一般設計在磁化曲線發生明

顯轉折的飽和區，且磁鏈幅值的大小和電機的運行性能密切相關，其幅值的微小變化會引起電流和轉矩等相關參數的較大變化。如圖1所示的雙閉環DTC調速系統，通過多次仿真發現，其磁鏈的給定值在0.37 ～0.45Wb之間時，系統能夠實現調速的目標；給定磁鏈過大或過小，均會出現劇烈的轉矩脈動，導致系統的速度響應曲線產生振蕩或不收斂的情況。因此，在對DTC調速系統的結構進行改進時必須考慮到磁鏈變化對系統穩定性的影響。對比分析對于SRM，達到給定轉速后，定子電流幅值的大小和磁鏈幅值的大小成正比關系。而根據SRM的瞬時轉矩方程（式1）我們又可得出，當電機起動、轉速較低、轉矩較大時，磁鏈顯得不足，使得起動電流增大、轉矩脈動增加。因此，兼顧電機起動和穩態時的動、靜態性能和效率，我們考慮將變磁鏈給定應用于SRM的DTC調速系統，并使其與速度變化相關聯。

1.2 變磁鏈三閉環DTC結構

對于速度、轉矩雙閉環DTC調速系統，轉矩的控制信號與電機輸出轉矩的變化規律完全一致。由于調速系統的實質是對轉矩的控制，而直接轉矩控制的核心是磁鏈，所以，磁鏈的變化應該與轉矩的變化規律相一致。跟據以上分析，我們將速度調節器輸出的轉矩調節信號經過比例系數的調節作為磁鏈環的控制信號，使磁鏈根據轉矩的變化需求自動調。基于上述分析，變磁鏈DTC的SRM調速系統，此調速系統將磁鏈環和轉矩環并聯作為內環、外加速度環構成三閉環結構，最終實現了以速度為給定的變磁鏈控制結構。

2　復合BP網絡自適應PID 控制器設計

2.1 控制器的整定原理

BP網絡將具有簡單非線性處理功能的單個神經元組合在一起形成復合映射，大大提高了網絡的非線性處理能力，且理論分析證明，BP網絡可實現任意輸入空間到輸出空間的非線性映射。因此，我們可以利用BP網絡的這種學習能力來協調傳統PID 控制器中三種控制參數（KP 、KI 、KD ）的關系，并通過這種控制器參數在線最優選擇的方式，使傳統PID 控制器達到最理想的控制效果。基于BP神經網絡的控制器由兩部分構成，一是常規PID 控制器，用以直接對對象進行閉環控制，且三個參數在線整定；二是神經網絡，根據系統的運行狀態，學習調整權系數，從而調整PID 參數，達到性能指標的最優化。

2.2 控制器的整定算法及步驟

（1）確定BP網絡的結構，即確定輸入層節點數M 和隱含層節點數Q ，并給出各層加權系數的初值Wij（1）（0）和Wli（2）（0），選定學習速率 和慣性系數a，此時k=1；

2.3 復合BP網絡自適應PID 控制器的仿真實現

本文將傳統PI 調節器與BP網絡自適應PID控制器并聯，構成復合BP網絡自適應PID 控制器，后文中簡稱“BP-PI”控制器。本復合控制器根據速度誤差進行切換：當速度誤差較大時，采用BP網絡自適應PID 控制器，通過BP網絡優化控制器參數，協調控制系統的各項性能指標；當速度誤差較小時，切換到傳統PI 調節器，利用其運算速度快的特點來滿足基于DTC 的SRM調速系統對實時性的高要求。本BP-PI控制器的仿真模型模型中BP網絡自適應PID控制器模塊（BPNetwork PIDController）的運算功能主要由Simulink中的-function 實現。其中BP網絡采用典型的4-5-3結構。

3　仿真結果及分析

本文以60kW、四相8/6結構的SRM為研究對象，電源電壓220V ，最大轉矩50Nm ，給定轉速n = 1000r/min，采用圖4所示的變磁鏈三閉環DTC結構。開始時，系統運行在空載狀態，即TL=0。為了驗證本系統的抗干擾能力，當系統運行0.4s 后，使系統由空載轉換為帶載TL=14 N?m，于0.75s時再變為空載。在此過程中，要求電機的轉速n 穩定在給定轉速1000 r/min。

4　結語

本文研究的變磁鏈DTC調速系統控制精度高、魯棒性能良好，既能充分抑制SRM的轉矩脈動，又能在穩態時降低定子電流的幅值，解決了電機高速時銅耗較大的問題。對開關磁阻電機調速系統成本的降低、系統效率的提升，及系統運行可靠性的增強都有著積極的指導意義。

參考文獻

［1］ 王勉華，王瑞，劉春元．基于神經網絡的SRM直接轉矩控制系統仿真研究［J］.微電機，2013，46（1）： 55-58 ．

［2］ 廖芳芳，肖建．基于BP神經網絡PID 參數自整定的研究［J］.系統仿真學報，2005，17（7）：1711-1713.

［3］ 張澤旭.神經網絡控制與MATLAB仿真［M］.哈爾濱： 哈爾濱工業大學出版社，2010.