基于神經網絡的自適應無速度傳感器-永磁同步電機控制

1、基于神經網絡的自適應無速度傳感器永磁同步電機控制作 者 姓 名： 指 導 教 師： 單 位 名 稱： 專 業(yè) 名 稱：徐小龍王迎春東北大學 電氣工程及其自動化東北大學2013年6月Neural Network-Based Adaptive Sensor-less Control of Permanent Magnet Synchronous Machinesby Xu XiaolongSupervisor: Associate Professor Wang YingchunNortheastern UniversityJune 2013東北大學本科畢業(yè)設計（論文）摘要 II -東北大學本科畢業(yè)

2、設計（論文）畢業(yè)設計（論文）任務書 I -畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）題目：基于神經網絡的自適應無速度傳感器永磁同步電機控制設計（論文）的基本內容：（1） 了解系統(tǒng)研究背景意義，分析項目功能需求。 設計永磁同步電機的 SVPWM的矢量控制，基于神經網絡自適應控制建立 無傳感器控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)應實現在無傳感器的條件下，利用神經網絡自 適應控制永磁同步電機的目的。（3）總結歸納，對系統(tǒng)進行仿真，分析實驗結果。畢業(yè)設計（論文）專題部分:題目設計或論文專題的基本內容：學生接受畢業(yè)設計（論文）題目日期 第1周指導教師簽字：2013年 3 月 5 日基于神經網絡的自適應無速度傳感器永磁同步電機控

3、制摘要永磁同步電機具有效率高、功率密度大、轉子參數可調等優(yōu)點，因此在工業(yè)生產的 各個領域中有著較好的發(fā)展。但是由于永磁同步電機在調速系統(tǒng)中傳統(tǒng)的機械傳感器存 在著可靠性低、成本高、維護復雜等諸多問題，并且其控制系統(tǒng)是一個強非線性、時變 和多變量的系統(tǒng)，使得永磁同步電機在要求高精度的環(huán)境中不能很好的工作，因此本文 主要研究在無傳感器條件下利用神經網絡自適應系統(tǒng)控制永磁同步電機的策略方法，這種控制方法具有不依賴被控對象的精確數學模型，同時對外界的變化具有學習性、自適 應性以及魯棒性等特點。本文中，首先分析并推導出永磁同步電機的數學模型，根據空間坐標變換理論，將 三相靜止坐標系轉換到兩項旋轉坐標系中

4、， 由此得到永磁同步電機在兩項旋轉坐標系下 的數學模型及其相應的運動方程。再根據空間矢量脈寬調制原理，利用空間矢量電壓得 到六路PWM信號，經由逆變器，得到所需要的驅動信號驅動永磁同步電機。然后在矢量控制的基礎上，采用模型參考自適應控制方法設計了速度控制器，通過 自身調節(jié)參數，降低誤差，使輸出達到期望值。接著設計神經網絡的權值變化規(guī)律，保 證神經網絡的穩(wěn)定性。然后通過神經網絡設計永磁同步電機的控制系統(tǒng)，并運用李雅普 諾夫函數證明整個系統(tǒng)的全局誤差有界，可以使其對速度的追蹤達到理想的效果。最后，利用MATLAB建立所需要的各個子模塊，輸入合適的參數值，對整個系統(tǒng)進 行仿真得到仿真圖形，分析數據得

5、出結論。關鍵詞：永磁同步電機，無速度傳感器控制，神經網絡，自適應控制東北大學本科畢業(yè)設計（論文）目錄 V -東北大學本科畢業(yè)設計（論文）Abstract III -Neural Network-Based Adaptive Sensor-less Control ofPermanent Magnet Synchronous MachinesAbstractPermanent magnet synchronous machines (PMSM) have good prospects in various applicati ons areas of in dustrial product io

6、n because of high efficie ncy and en ergy den sity. However, in the PMSM speed control system, there are some problems in the traditional mecha ni cal sen sor, such as maki ng the system reliability worse, costs in creased and maintenance complex . At the same time, since the system is a strongly no

7、nlinear, time-varying and multivariable system , the permanent magnet synchronous motor does not work well in the high-precision environment. In this paper, an adaptive neural network sensor-less control scheme is studied for permanent magnet synchronous machines. This con trol method does not depe

8、nd on the exact mathematical model of con trolled object, and has lear ning, adaptability and robust ness characteristics un der the cha nging circumsta nee.Firstly, the mathematical model of PMSM is analyzed in the thesis. According to the spatial coord in ate tran sformatio n theory, the three-pha

9、se statio nary coord in ate system is tran sformed into two rotat ing coord in ate system, and a perma nent mag net synchronous motor rotat ing in the two coord in ates departme nt un der the mathematical model and its corresponding equation of motion. According to the space vector pulse width modul

10、ation prin ciple, the required drive-sig nal is obta ined through the inv erter and using the six-cha nnel PWM sig nal.The n a speed con troller is desig ned through the model refere nee adaptive con trol method. The speed controller can adjust parameters by itself and reduce the error, so that the

11、output can meet the expectations. Then the weights of neural network make sure the stability. According to the design of the neural network, the control system of PMSM is designed. Then, it is proved that the error of entire system is bounded according to the Lyapunov function. Thus, the track ing s

12、peed can achieve the desired results.At last, the entire system is simulated by MATLAB. Through the simulation graphs some con clusi ons are obta in ed.Key words： PMSM ； Sensor-less controj Neural network； Adaptive control目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 畢業(yè)設計（論文）任務書 I HYPERL

13、INK l bookmark24 o Current Document 摘要IIAbstractI.II. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 目錄IV. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 第一章緒論11.1課題背景及研究的目的和意義 1. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.2永磁同步電機的發(fā)展現狀 2. HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1.3神經網絡的發(fā)展與應用 3. HYPERLINK l

14、 bookmark34 o Current Document 1.4神經網絡控制5. HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.5無速度傳感器控制的發(fā)展現狀7. HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 1.6本文主要工作& HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 第二章永磁同步電機的結構及數學模型 .9. HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.1永磁同步電機的概述 9. HYPERLINK l bookmark4

15、4 o Current Document 2.1.1永磁同步電機的結構 9. HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2.1.2永磁同步電機的特點10 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2.1.3永磁同步電機的分類 11 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.2坐標系變換原理 1.2 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 2.2.1三相定子坐標系和兩相定子坐標系之間坐標變換 12 HYPERLINK l b

16、ookmark62 o Current Document 2.2.2兩相定子坐標系和兩相旋轉坐標系之間坐標變換 14 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 2.2.3三相定子坐標系和兩相旋轉坐標系之間坐標變換 15 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 2.3永磁同步電機的數學模型16 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 2.3.1電壓平衡方程 16 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 2.3.2磁鏈方程 1

17、.7 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 2.3.3繞組電感參數17 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 2.3.4每相繞組的自感18 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 2.3.5每兩相繞組的互感19 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 2.3.6感應電動勢21 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 永磁同步電機的矢量控制方法 22 HYPERLINK l

18、bookmark82 o Current Document SVPWM的基本原理23 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 2.6本章小結28 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 第三章基于神經網絡的永磁同步電機控制器的設計 29 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 3.1自適應控制29 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 3.2神經網絡學習算法30 HYPERLINK l bookmark98 o Cur

19、rent Document 3.3基于神經網絡的永磁同步電機的控制器設計及穩(wěn)定性的驗證 34 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 3.4本章小結3.9 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 第四章 基于神經網絡控制的永磁同步電機仿真 4 1Matlab 介紹41SVPWM 的實現41 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 4.3系統(tǒng)各個模塊的仿真 43 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 4.3.1坐

20、標變換的仿真模塊 44 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document SVPWM的仿真模塊45 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 4.3.3整個系統(tǒng)仿真的波形.5.1 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 4.4數據分析54 HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 第五章總結與展望 55 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 5.1總結55 HYPERLINK l

21、 bookmark120 o Current Document 5.1.1本課題的主要工作 55 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 5.1.2工作總結55 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 5.2對以后工作的展望56 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 參考文獻57 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 致謝61.東北大學本科畢業(yè)設計(論文)第一章緒論 -第一章緒論自20世紀80年代以來，隨著電

22、力電子技術、微電子技術、自動化技術、微型計算 機技術、傳感器技術、稀土永磁材料及新型電機控制理論的快速發(fā)展，交流伺服控制技 術有了長足的進步，正在沖擊著整個傳統(tǒng)工業(yè)模式 。永磁同步電機(Perma nent Mag net Synchronous Machines簡稱PMSM)由于具有氣隙磁密高、轉矩脈動小、轉矩/慣量比大、 效率高等優(yōu)點，在諸如高性能機床進給控制、位置控制、機器人等領域，永磁同步電 機得到了廣泛的應用。尤其在近十年來，現代交流調速技術不斷成熟，并朝著數字化、 智能化方向發(fā)展，因此，對交流驅動系統(tǒng)進行深入研究就顯得十分重要。1.1課題背景及研究的目的和意義20世紀80年代以來，

23、隨著價格低廉的釹鐵硼(NdFeB)永磁材料的出現，使永磁同 步電機得到了很大的發(fā)展，世界各國(以德國和日本為首)掀起了一股研制和生產永磁同 步電機及其伺服控制器的熱潮，在數控機床、工業(yè)機器人等小功率應用場合，永磁同步 電機伺服系統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢 。永磁同步電動機由稀土永磁材料來產生磁場，是永 磁電機家族中的重要一員，永磁電機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關5。我國稀土資源豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的四倍左右，號稱“稀土王國”，稀土永磁材料和稀土永磁電機的研究達到了世界先進水平。傳統(tǒng)永磁同步電機控制器的設計方法一般要求對系統(tǒng)參數精確了解以便對控制規(guī) 律進行整定，然而在實際運行中，系統(tǒng)

24、的參數會經常變化，要保證優(yōu)良的系統(tǒng)性能必須 對控制器進行相應的調整。目前，針對永磁同步電機的研究主要包括：永磁同步電機本體的設計；位置檢測裝置的研究；速度控制器的設計。模糊控制等智能控制策略，都具有不依賴于對象的數學模型、魯棒性強的優(yōu)點，能 夠很好地克服伺服系統(tǒng)中模型參數變化和非線性等不確定因素，從而實現系統(tǒng)的高品質控制性能。國內外對于永磁同步電機的研究范圍十分廣泛，概括起來可分為三個主要方面7:電機和此路結構設計?？刂茊栴}。又分為兩個方面：一是關于永磁同步電動機控制策略的研究；二是關 于永磁同步電動機系統(tǒng)驅動技術的研究。不可逆退磁問題。隨著永磁同步電動機在各個領域得到廣泛的應用，對永磁同步電

25、動機控制系統(tǒng)的控制性能也有了越來越高的要求，既希望控制系統(tǒng)能有較高的控制精 度與穩(wěn)態(tài)性能，又希望系統(tǒng)成本能盡量低廉，國內外許多專家學者紛紛提出了各種永磁 同步電機控制策略，部分已獲得了很好的實際效果。這其中高精度控制與無傳感器控制 是近年來的主要研究方向。永磁同步電機的運動控制需要精確的轉子位置和速度信號 去實現磁場定向。在傳統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)中，通常采用旋轉變壓器或光電編碼器來檢測 轉子的位置和速度。然而，這些額外的機械傳感器安裝、維護困難，增加了系統(tǒng)的成本， 并且降低了系統(tǒng)的可靠性，這大大限制了其在惡劣環(huán)境下和對系統(tǒng)要求較高場合下的應 用。因此，無速度傳感器控制成為永磁同步電機研究的一個重要

26、內容9,10。永磁同步電機的矢量控制一般通過檢測，或估計電機轉子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓。這樣，電機的轉矩便只和磁通、電流有關，與直流電機的控制方法相 似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉子磁通位置與轉子機械位置相同， 這樣通過檢測轉子的實際位置就可以得知電機轉子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。如何獲得精確的轉子位置和速度信號就成為實現磁場定向和速度控制的關鍵。無速度傳感器永磁同步電機是在電機轉子和機座上不安裝電磁或光電位置或速度 傳感器的情況下，利用直接計算、參數辨識、狀態(tài)估計、間接測量等手段，從定子邊較 易測量的量，如定子電壓

27、、定子電流中提取出與速度有關的量，從而得出轉子速度，并 應用到速度反饋控制系統(tǒng)中11。1.2永磁同步電機的發(fā)展現狀永磁同步電機是由電勵磁同步電機發(fā)展而來的，兩者的結構和運行原理基本相同。 與后者相比，永磁同步電機是由永磁體建立磁場，產生的磁通，取代了電勵磁同步電機 的勵磁線圈勵磁，從而簡化了結構，省去了電刷和集電環(huán)裝置，實現了無刷化，大大降 低了電機的維修費用，進而提高了工作效率；永磁同步電機與感應電機相比，不需要無 功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運 行時沒有轉子電阻損耗，減少或去掉冷卻風扇，使相應的風磨損耗減小，從而使效率比 同規(guī)格的感應電機提高

28、2%8%12。同時功率因數、效率的提高，可減小系統(tǒng)、線路的 容量，減少系統(tǒng)成本。而且，永磁同步電動機在 25%120%額定負載范圍內均可以保持東北大學本科畢業(yè)設計(論文) -第一章緒論 較高的功率因數和效率，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著，在長期的使用中可以大幅度 地節(jié)省電能。20世紀70年代學者們便開始著手交流調速系統(tǒng)的研究。與當時在調速系統(tǒng)中占主 導地位的直流電動機相比，永磁同步電動機由于具有強耦合、非線性及多變量的特點， 為獲得更好的調速控制性能，需要采用復雜的控制算法，其控制系統(tǒng)也變得復雜而昂貴 13,14。然而，隨著電力電子技術的快速發(fā)展，永磁同步電機的調速方法及工業(yè)應用得到 了迅猛的

29、發(fā)展。目前矢量控制和直接轉矩控制是高性能交流電機調速系統(tǒng)中應用最為廣 泛的兩種控制策略，同時，隨著控制理論與計算機技術的發(fā)展，一些智能的先進控制技 術也在永磁同步電機的調速控制系統(tǒng)中得到應用。利用永磁體作磁勢源來制造電機已有 100多年歷史，1831年由巴洛(Barlow)發(fā)明的 世界上第一臺電機就是永磁電機。早期的永磁材料磁性能很低，永磁電機很快被電勵磁 電機所取代。本世紀30年代和50年代，具有高剩磁Br的鋁鎳鉆(A-INiCo)和具有較高 矯頑力He的鐵氧體(Ferrite)永磁材料的先后出現，給永磁電機帶來了生機。但AINiCo的He值很低，易失滋，Ferrite的Br值很小，不能為電

30、機提供高的工作磁密，并且逆變 器這樣的電力電子裝置還沒有廣泛應用，所以永磁同步電機的應用是非常有限的。近幾 十年來，隨著永磁材料的發(fā)展，計算機輔助設計技術的進步，以及控制技術和驅動電路 等技術的進步，永磁同步電機的性能有了很大的提高。如今永磁同步電機得到了廣泛的應用，因為它具有維護方便、可控性強、受環(huán)境影 響小、電機效率高以及具有高功率因數等諸多優(yōu)點。近年來由于環(huán)境問題，各個領域對 電機的效率和節(jié)能的要求逐漸提高。除了環(huán)境問題，高性能永磁材料的發(fā)展及成本的減 少也擴大到永磁同步電機應用的各個領域。釹、鐵、硼永磁材料是目前磁性能最強的永 磁材料，它具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積等特點。通過開

31、發(fā)能經受高溫及不易 退磁的永磁材料，釹、鐵、硼永磁同步電機已經在工廠自動化、壓縮機及交通工具等領 域的應用中大大進步15。1.3神經網絡的發(fā)展與應用在現實生活中，任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性表現 在被控過程或對象的特性時刻發(fā)生變化，變化規(guī)律難以掌握，同時還有各種各樣的隨機 干擾作用在系統(tǒng)上，這些影響通常是不可預測的。如何設計適當的控制作用，通過輸入、 輸出信息，實時的掌握被控對象和系統(tǒng)誤差的動態(tài)特性，并根據其變化情況及時掌握調東北大學本科畢業(yè)設計（論文） -第一章緒論 節(jié)控制量，使系統(tǒng)性能指標達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應控制所要研究 解決的問題16。自動控

32、制理論與人類社會的發(fā)展密切相關。電子計算機的出現和迅速發(fā) 展，計算和信息處理水平的不斷提高，促使自動控制理論朝著更復雜、更嚴密的方向發(fā) 展17。自20世紀40年代，隨著神經解剖學、神經生理學以及神經元的電生理過程等的 研究取得突破性進展，人們對人腦的結構、組成及最基本工作單元有了越來越充分的認 識，在此基本認識的基礎上，綜合數學、物理學以及信息處理等學科的方法對人腦神經 網絡進行抽象，并建立簡化的模型，稱為人工神經網絡18。人工神經網絡（Artificial Neural Network，即ANN），是20世紀80年代以來人工 智能領域興起的研究熱點。它從信息處理角度對人腦神經元網絡進行抽象，

33、建立某種簡 單的模型，按不同的連接方式組成不同的網絡19,20。最近十多年來，人工神經網絡的研 究工作不斷深入，已經取得了很大的進展，其在模式識別、智能機器人、自動控制、預 測估計、生物、醫(yī)學、經濟等領域已成功地解決了許多現代計算機難以解決的實際問題， 表現出了良好的智能特性。1943年，心理學家W.S.McCulloch和數理邏輯學家W.Pitts建立了神經網絡和數學 模型，稱為MP模型。他們通過MP模型提出了神經元的形式化數學描述和網絡結構方 法，證明了單個神經元能執(zhí)行邏輯功能，從而開創(chuàng)了人工神經網絡研究的時代。1949年，心理學家提出了突觸聯系強度可變的設想。60年代，人工神經網絡的到了

34、進一步發(fā) 展，更完善的神經網絡模型被提出，其中包括感知器和自適應線性元件等。M.Mi nsky等仔細分析了以感知器為代表的神經網絡系統(tǒng)的功能及局限后，于1969年出版了Perceptron一書，指出感知器不能解決高階謂詞問題。他們的論點極大地影響了神 經網絡的研究，加之當時串行計算機和人工智能所取得的成就，掩蓋了發(fā)展新型計算機 和人工智能新途徑的必要性和迫切性，使人工神經網絡的研究處于低潮。在此期間，一 些人工神經網絡的研究者仍然致力于這一研究，提出了適應諧振理論（ART網）、自組織映射、認知機網絡，同時進行了神經網絡數學理論的研究。以上研究為神經網絡的研 究和發(fā)展奠定了基礎。1982年，美國

35、加州工學院物理學J.Hopfield提出了 Hopfield神經 網格模型，引入了“計算能量”概念，給出了網絡穩(wěn)定性判斷。1984年，他又提出了連續(xù)時間Hopfield神經網絡模型，為神經計算機的研究做了開拓性的工作，開創(chuàng)了神經網 絡用于聯想記憶和優(yōu)化計算的新途徑，有力地推動了神經網絡的研究，1985年，又有學者提出了波耳茲曼模型，在學習中采用統(tǒng)計熱力學模擬退火技術，保證整個系統(tǒng)趨于全 局穩(wěn)定點。1986年進行認知微觀結構地研究，提出了并行分布處理的理論。 人工神經網第一章緒論 絡的研究受到了各個發(fā)達國家的重視，美國國會通過決議將1990年1月5日開始的十年定為“腦的十年”，國際研究組織號召它

36、的成員國將“腦的十年”變?yōu)槿蛐袨?。?日本的“真實世界計算（RWC）”項目中，人工智能的研究成了一個重要的組成部分211.4神經網絡控制人工神經網絡反應了人腦功能的基本特性，但并不是人腦的真實描述，只是人腦的 抽象、簡化與模擬。它是一門涉及醫(yī)學、神經生理學、信息學、人工智能、數理學、計 算機學等多個領域的新興前沿學科，它具有復雜的非線性動力學特性、并行處理機制、 學習、聯想和記憶功能，以及高度自組織、自適應能力和靈活性22。人工神經網絡（簡稱神經網絡）是由大量簡單的信息處理單元（神經元）廣泛連接 而成的復雜網絡，用來模擬人腦神經系統(tǒng)的結構和功能，是一種簡化的人腦數學模型2沐 人工神經網絡是一

37、種由大量處理單元互聯組成的非線性、自適應信息處理的系統(tǒng)。它是 在現代神經科學研究成果的基礎上提出的，試圖通過模擬大腦神經網絡處理、記憶信息 的方式進行信息處理。人工神經網絡具有四個基本特征：（1）非線性。非線性關系是自然界的普遍特性。大腦的智慧就是一種非線性現象。 人工神經元處于激活或抑制二種不同的狀態(tài)，這種行為在數學上表現為一種非線性關 系。具有閾值的神經元構成的網絡具有更好的性能，可以提高容錯性和存儲容量。（2）非局限性。一個神經網絡通常由多個神經元廣泛連接而成。一個系統(tǒng)的整體行 為不僅取決于單個神經元的特征，而且可能主要由單元之間的相互作用、相互連接所決 定。通過單元之間的大量連接模擬大

38、腦的非局限性。聯想記憶是非局限性的典型例子。（3）非常定性。人工神經網絡具有自適應、自組織、自學習能力。神經網絡不但處 理的信息可以有各種變化，而且在處理信息的同時，非線性動力系統(tǒng)本身也在不斷變化。 經常采用迭代過程描寫動力系統(tǒng)的演化過程。（4）非凸性。一個系統(tǒng)的演化方向，在一定條件下將取決于某個特定的狀態(tài)函數。例如能量函數，它的極值相應于系統(tǒng)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。非凸性是指這種函數有多個極值， 故系統(tǒng)具有多個較穩(wěn)定的平衡態(tài)，這將導致系統(tǒng)演化的多樣性。人工神經網絡由神經元模型構成， 這種由許多神經元組成的信息處理網絡具有并行 分布和結構24。作為人工神經網絡的基本處理單元，人工神經元的功能是：對每個

39、輸入 信號進行處理以確定其強度（加權）；確定所有輸入信號的組合效果（求和）；確定其輸 出（轉移特性）。每個神經元（如圖1.1）具有單一輸出，并且能夠與其他神經元連接；東北大學本科畢業(yè)設計(論文)第一章緒論 -存在許多(多重)輸出連接方法，每種連接方法對應一個權系數。嚴格地說，人工神經網絡具有下列特性的有向圖：對于每個節(jié)點i，存在一個狀態(tài)變量Xi ；從節(jié)點j至節(jié)點i，存在一個連接權系統(tǒng)數 Wij ；對于每個節(jié)點i，存在一個閾值；對于每個節(jié)點i，定義一個變換函數fi(Xi，Wij，二i)，心j;對于最一般的情況, 此函數取fi(匕，WijXi-汨)形式。人工神經網絡或許無法代替人類的大腦，但是它拓

40、展了人們對外部環(huán)境的認識與控 制能力。它特有的非線性適應性信息處理能力25，使之在智能控制、組合優(yōu)化、預測等 領域得到成功應用，成為一門獨具特色的信息處理學科。人工神經網絡的發(fā)展有如下趨勢：人工神經網絡正向模擬人類認知的道路上深入發(fā) 展，與模糊系統(tǒng)、遺傳算法、進化機制等結合，形成計算智能，成為人工智能的一個重藝F ( )圖1.1神經元結構東北大學本科畢業(yè)設計(論文) -第一章緒論 要方向；在現代神經科學研究成果的基礎上，試圖用模擬神經網絡加工、記憶信息的方 式，制造各種智能機器；神經元網絡的實現是其廣泛應用的前提，是軟件與硬件的有效 結合，可以針對網絡材料和功能結構，研究更簡潔高效的網絡結構，

41、同時擴大神經元芯 片的作用范圍；利用光電結合的神經計算機，創(chuàng)造出功能更全，應用更廣的人工神經網 絡，提高其信息處理能力，進一步優(yōu)化從理論到實際的實現；人類與計算機的自然口譯、 流暢的談話、音頻檢索甚至用自然語言與計算機對話也是其發(fā)展實現的方向之一。1.5無速度傳感器控制的發(fā)展現狀永磁同步電機無速度傳感器技術將呈現如下的發(fā)展趨勢26:利用易于檢測的電機電壓和電流來估計電機位置和速度的研究，不斷改進估計算法，結合具有高速信息處理能力的DSP技術，使得估計速度更快，估計結果更精確。實現全速范圍內平穩(wěn)運行，特別是零速時的位置估計技術，低速時的估計精度 問題的研究，采用同時辨識電機狀態(tài)和電機參數的方法提

42、高低速性能。基于估計器的精密魯棒控制算法研究，實現高精度、高魯棒性的無速度傳感器 控制性能，提高調速精度、拓寬調速范圍。將智能控制方法引入電機無速度傳感器控制系統(tǒng)。國外在20世紀70年代就開始了無傳感器控制技術的研究工作27,280 1975 年,A.Abbondnati等人推導出了基于穩(wěn)態(tài)方程的轉差頻率估計方法，在感應電機的無速度傳 感器控制領域做出了首次嘗試，調速比可達10: 1，但其調速范圍比較小，動態(tài)性能和調速精度難以保證。在此之后，1979年，M.lshdia等學者利用轉子齒諧波來檢測轉速， 限于監(jiān)測技術和控制芯片的實時處理能力，僅在大于300r/min的轉速范圍內取得了較為 滿意的

43、效果，但這種思想令人耳目一新。首次將無速度傳感器應用于感應電機矢量控制 是在1983年由Ro.Joetten完成的，這使得交流傳動技術的發(fā)展又上了一個新的臺階29。在無速度傳感器技術方面，很多學者作出了研究，提出了切實可行的方法。將眾多 方法歸類如下30:基于永磁同步電機基本電磁關系估算位置和轉速的方法由于這種方法直接基于電機的物理模型進行估算，因而具有計算簡單，動態(tài)響應快 的優(yōu)點，然而它對電機參數特別是定子電阻特別敏感，隨著電機運行狀態(tài)的變化(例如溫度升高)，電機參數會發(fā)生一定的變化，導致估計的轉速和位置收斂于錯誤的值?；趯﹄姍C特殊特性分析基礎上的估計方法第一章緒論 電流諧波分析法、高頻注

44、入法或根據磁路結構和磁飽和特性，通過測量轉子空間凸 極來得到轉子位置的方法等是這類方法的代表?；诟鞣N觀測器技術的位置辨識方法該方法首先將輸出變量定義為觀測器的狀態(tài)量，觀測器的輸出與實際電機檢測值作比較，用其誤差來糾正觀測器的估計值。 常用的有全階狀態(tài)觀測器、滑模變結構觀測器、 卡爾曼濾波器等。這種方法動態(tài)性能好，穩(wěn)定性高、參數魯棒性強，然而算法復雜，計 算量很大，受到計算機和微處理器計算速度的限制。近年來隨著微型計算機技術的發(fā)展 尤其是高性能DSP的出現，大大推動了這一方法在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中的應 用。人工智能理論基礎上的估算方法進入20世紀90年代，人們提出了基于人工智能的無傳感器

45、控制方法，它們不需要 系統(tǒng)精確的數學模型，并且可被應用于非線性系統(tǒng)。雖然這些方法對參數變化和測量噪 聲具有較強的魯棒性，但是復雜的算法、繁重的計算量及對系統(tǒng)控制所需的專家知識卻 大大限制了這些方法在實際中的應用。1.6本文主要工作本文的主要內容就是提供了一種在模型觀測器原理的基礎上把基于李雅普諾夫函 數的神經網絡應用于永磁同步電機無傳感器智能控制系統(tǒng)中，降低系統(tǒng)成本的同時，還 可以獲得穩(wěn)定的誤差較小的精確控制方法。下面會重點研究以下四個方面：首先建立了永磁同步電機的數學模型，并實現了永磁同步電機的矢量控制。主要內 容包括，闡述了坐標變換理論，推導出永磁同步電機在三相靜止坐標系下變換到兩相旋 轉

46、坐標系下的數學模型，實現了矢量控制系統(tǒng)，并介紹了 SVPWM技術實現原理和調制方 法。然后根據模型參考自適應系統(tǒng)以及神經網絡工作原理，建立無傳感器的永磁同步電 機的控制系統(tǒng)，并利用李雅普諾夫函數證明此系統(tǒng)的穩(wěn)定性。接著在MATLAB中的SIMULINK建立該系統(tǒng)所需要的模塊，對系統(tǒng)進行仿真，達到 轉速波形圖，根據圖形分析數據。最后對本課題的工作進行總結，并對以后的工作發(fā)展進行了展望。東北大學本科畢業(yè)設計（論文）錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。的結構及數學模型 -第二章 永磁同步電機的結構及數學模型本章首先簡要介紹了永磁同步電機的結構，然后基于坐標變換原理，建立了永磁同 步電機在三相靜止

47、坐標系（ABC ）、兩相靜止坐標系（g ）和兩相旋轉坐標系（d-q） 中的電壓回路方程、磁鏈方程及其轉矩方程。這些電磁約束對了解永磁同步電機的原理、 分析其運動規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎。然而，要想組成真正的矢量控 制系統(tǒng)，還必須從電機的動態(tài)數學模型出發(fā)，找到各個物理量之間的關系，在定向坐標 系上實現各量的控制和調節(jié)。2.1永磁同步電機的概述永磁同步電機的轉子采用高性能的稀土永磁材料，使得電機尺寸減??；由于發(fā)熱主 體在定子側，散熱也比較容易；同時，其結構簡單、效率和功率因數高及輸出轉矩大等 特點，這些優(yōu)點使得永磁同步交流伺服系統(tǒng)已成為現代伺服系統(tǒng)的主流，在很多驅動領 域已經取代直流

48、電機。2.1.1永磁同步電機的結構和普通同步電機一樣，永磁同步電機也是由定子和轉子兩大部分組成。定子是電樞 繞組，轉子是永磁體。永磁同步電機是用裝有永磁體的轉子取代繞線式同步電動機轉子 中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷以電子換向器，實現無刷運行。永磁 同步電機的轉子是指電動機在運行時可以轉動的部分，在轉子結構上，普通同步電機通 常由磁極鐵心、勵磁繞組、永磁磁軛等部分組成。磁極鐵心由鋼板沖片疊壓而成，磁極 上套有勵磁繞組，勵磁繞組兩出線端接到兩個集電環(huán)上，再通過與集電環(huán)相接觸的靜止 電刷向外引出。勵磁繞組由直流勵磁電源供電，其正確連接應使相鄰磁極的極性呈 N與 S交替排列。轉子的主要

49、作用是在電動機的氣隙內產生足夠的磁感應強度，并同通電后 的定子繞組相互作用產生轉矩用來驅動自身的運轉。因此，永磁同步電機的勵磁磁場可 視為恒定，另外與普通電機相比，永磁同步電機還必須裝有轉子位置檢測器，用來檢測 轉子磁極位置和速度，從而對電樞電流進行控制，達到控制永磁同步電機的目的。為保 證系統(tǒng)精度及運行質量，多采用旋轉變壓器或光電碼盤作為永磁同步電機的轉子位置檢 測器，與永磁同步電機轉子同軸連接。永磁同步電機的定子與普通感應電動機基本相同， 轉子的磁路結構是區(qū)別于其它電機的主要因素。永磁同步電機的定子與繞線式同步電動機基本相同，是電動機在運行時的不動部 分，與普通同步電機在定子結構上是一致的

50、，由三相繞組及鐵心構成，主要是由硅鋼沖 片、三相對稱分布在它們槽中的繞組、固定鐵心用的機殼以及端蓋等部分組成，要求輸 入定子的電流仍然是三相正弦的，所以稱為三相永磁同步電機。轉子磁路結構不同，其 運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和使用場合均有差別。永磁同步電機的電樞繞組采用三相對稱分布繞組結構，類似于普通感應電機與同步電機的電樞繞組。不過，永磁同步電機為了克服永磁磁極與定子鐵心的齒槽效應，往往 采用分數槽繞組，即電機平分到每極每相的定子電樞槽數不是整數而是分數。有時為了 縮短端部繞組的長度，也會采用特殊結構的繞組形式。空間上三相對稱繞組通常為星型連接。其定子和異步電動機的定子結構基本相同?？臻g上三

51、相對稱繞組通入時間上對稱的三相電流就會產生一個空間旋轉磁場，旋轉磁場的同步轉速no與定子電流頻率f存在如下關系：n0 60 ( np為電動機極對數)%2.1.2永磁同步電機的特點永磁同步電機由于結構上的差異，使其擁有自身的特點：永磁同步電機可以用一個與電源頻率同步的恒定速度進行旋轉，而不受負載和 線路電壓的影響。電機運行可以保持恒定的，與電源頻率同步的速度，只要轉矩不超過 電機的極限運行值。永磁同步電機是一種永勵電機。它能產生非常高的功率密度、非常高的效率和 極好的響應，所以能適應機械工程領域中最復雜的應用。 另外它還具有很強的過載能力。 永磁同步電機基本上不需要維護，因此可以確保最高效的運行

52、。高精確的速度控制使永磁同步電機成為特定工業(yè)過程的理想選擇。永磁同步電機的速度/轉矩特性非常適用于直接驅動大馬力、低轉速 (rpm)的負載。永磁同步電機能夠以較高的功率因數運行，因此能提高整個系統(tǒng)的功率因數， 進而能消除或減少功率因數的損失。功率因數的提高還可以減少系統(tǒng)及電機終端的壓 降。永磁同步電機舍棄了勵磁線圈，而且轉子的轉速與定子磁場的轉速相同。這種 設計可以消除轉子銅損，與傳統(tǒng)的感應電機相比可以產生極高的效率峰值，功率重量比 也高于后者。2.1.3永磁同步電機的分類永磁同步電機分為正弦波驅動的永磁同步電機和方波驅動的永磁同步電機。就整體結構而言，永磁同步電機可以分為內轉子和外轉子式；就

53、磁場方向來說，有徑向和軸向 磁場之分；就定子的結構而論，有分布繞組和集中繞組以及定子有槽和無槽的區(qū)別。按 照永磁體在電機轉子上的安裝位置，永磁同步電機分成凸裝式、嵌入式和內置式三種， 前兩種又統(tǒng)稱為外裝式結構。凸裝式轉子永磁體的幾種幾何形狀如圖2.1所示。凸裝式和嵌入式結構可以使轉子做得直徑小、慣量低，特別是若將永磁體直接固定在轉軸上， 還可以獲得低電感，有利改善動態(tài)性能。正因為如此，許多交流永磁電動機都是使用這 種外裝式結構。另外一種轉子結構，如圖 2.2 (b)所示它是將永磁體埋裝在轉子鐵心內 部，每個永磁體都被鐵心所包容，通常稱為內埋式永磁同步電機。這種結構，機械強度 高，磁路氣隙小，所

54、以與外裝式轉子相比，更適合于弱磁運行。嵌入式、內埋式永磁轉 子結構如圖2.2所示：(a)圓套筒型(b)瓦片型S（a）嵌入式永磁轉子H鐵芯1鋼片（b）內埋式永磁轉子d軸圖22嵌入式、內埋式永磁轉子結構2.2坐標系變換原理從同步電機電磁關系可見，電機微分方程是一組變系數微分方程，微分方程系數是 隨轉子和定子相對位置而變化的時間函數。因此，電機屬于一種非線性多變量系統(tǒng)，分 析和求解這些微分方程十分困難。本世紀二十年代所建立的Park方程，消除了同步電機數學模型中的時變系數，成為研究同步電機的重要手段。70年代發(fā)展起來以坐標變換 為基礎的矢量控制技術，為高性能交流電氣傳動提供了理論基礎。2.2.1三相

55、定子坐標系和兩相定子坐標系之間坐標變換3 / U 4U6U7U7U6U4Uo當各個矢量的作用時間在PWM周期內確定之后，可以根據實際情況選擇適量的切 換順序，但是應牢記每個扇區(qū)均以零矢量開始和結束。針對不同的狀態(tài)的順序不是隨便 安排的，其所必須遵守的原則是每一次工作狀態(tài)在切換時，只有一個功率管作為開關進 行切換，其目的是可以盡可能的減少開關損耗。2.6本章小結本章節(jié)對永磁同步電機的分類、結構及特點進行了分析，給出了永磁同步電機在不 同坐標系下的數學模型，以及它們之間的變換關系。為后面幾章矢量控制技術的實現及 MATLAB電機模型的建立奠定了理論基礎。需要注意的是，這些分析是在作了一定的 假設條

56、件下得出的，實際電機模型要復雜得多，實際的運行環(huán)境也復雜得多，因此這些 分析結果適用于一般場合的永磁同步電機控制。東北大學本科畢業(yè)設計(論文)第三章基于神經網絡的 -第三章基于神經網絡的永磁同步電機控制器的設計永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)中大多數的控制器采用的是PI控制器。PI控制其具有結構簡單，性能良好的優(yōu)點，但是其動態(tài)性能不夠好，存在超調現象，因此對于高精 度的PMSM傳動系統(tǒng)，在矢量控制的基礎上，利用神經網絡自適應控制方法，克服系 統(tǒng)不穩(wěn)定、跟蹤速度變化緩慢等缺點，使永磁同步電機的控制系統(tǒng)更加精確、穩(wěn)定。3.1自適應控制自適應控制41,43-45系統(tǒng)是根據日常生活中生物能夠通過自覺調整本身

57、參數改變自 己的習性以適應新的環(huán)境的特性而產生的，它本身就是一種具有一定能力的系統(tǒng)，可以 依據需要不斷的測量系統(tǒng)的狀態(tài)、性能或參數，從而“認識”或“掌握”系統(tǒng)當前的運 行指標并與期望的指標相比較，進而做出決策以改變控制器的結構、參數以及根據自適 應律來改變控制作用，以此保證系統(tǒng)運行在某種意義下的最優(yōu)或次最優(yōu)狀態(tài)。自適應控制有三種基本模型，其各自的特點如下：增益自調度系統(tǒng)如果人們可以實現把握每個變化因素的變化規(guī)律，那么可以依據這些先驗知識設計 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對這個變化因素的適應能力可以做得很好。按照這些變化規(guī)律，增益 自調度系統(tǒng)的設計方案原則上是可行的，但是實際應用中控制對象變化規(guī)律是實現未知

58、的交流電動機的參數，其參數變化不僅隨著電機溫度的變化而變化還受到電流和勵磁情 況的影響等，這些變化是事先難以準確把握的，并且不同電極之間存在較大的差異。模型參考自適應控制系統(tǒng)模型參考自適應控制系統(tǒng)是一類重要的自適應控制系統(tǒng)，它的基本思想是在控制其控制對象組成的基本回路以外，再建立一個由參考模型或自適應機構組成的附加調節(jié)機 構，自適應機構的輸出可以改變控制器的參數或控制對象產生的附加控制作用。其主要 環(huán)節(jié)是自適應規(guī)律的設置。自校正控制系統(tǒng)它的附加調節(jié)回路由辨識器和控制器設計組成，辨識器根據對象的輸入和輸出信 號，在線估計對象參數，按照設計好的規(guī)律進行計算，形成新的控制輸出，以補償對象 的特性變化

59、。與模型參考自適應控制系統(tǒng)的出發(fā)點不同，自校正控制系統(tǒng)帶有明顯的被東北大學本科畢業(yè)設計（論文） -第三章基于神經網絡的 控對象的參數識別能力，它將當前的被控對象的參數估計值直接送給控制器算法中，由 此確定參數以實現反饋控制。本文利用模型參考自適應的控制方法，原理如下：x圖3.1自適應原理圖圖3.1中參考模型和可調模型（自適應模型）被相同的外部輸入u所激勵x和?分別是參考模型和可調模型的狀態(tài)適量。參考模型用其狀態(tài) x規(guī)定了一個給定的性能指標， 這個性能指標與測得的可調系統(tǒng)的性能 ？比較后，將其差值矢量v輸入自適應機構，由 自適應機構來修改可調模型的參數，使得它的狀態(tài)?能夠快速而穩(wěn)定地逼近x，也就

60、是使差值v趨近于零。能否構成品質優(yōu)良的自適應控制系統(tǒng)，關鍵問題之一是圖中自適應 機構所執(zhí)行的自適應規(guī)律的確定。如何設計合適的自適應規(guī)律，通常有三種基本方法： 以局部參數最優(yōu)化理論為基礎的設計方法，以李雅普諾夫函數為基礎的設計方法，以超 穩(wěn)定與正性動態(tài)系統(tǒng)理論為基礎的設計方法。第一種設計方法有梯度法、最速下降法和 共軛梯度法等，可使可調系統(tǒng)快速理想地靠攏參考模型。 但這種方法有一個致命的缺點， 就是不能保證自適應系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第二種和第三種設計方法能夠成功地用來設計穩(wěn)定 的模型參考自適應系統(tǒng)，因為它自身就是一個時變的非線性系統(tǒng)，其穩(wěn)定性問題是系統(tǒng) 固有的也是首要解決的問題，所以獲得了廣泛的應用。