永磁同步電動(dòng)機(jī)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究

徐大利 謝青海 崔嵬 王濤 孟鳳果

摘要：永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速度控制器多采用參數(shù)固定的PI控制器。模糊控制推理方式類似于人的思維模式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備良好的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)速度控制器性能良好，具有較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);永磁同步電動(dòng)機(jī);魯棒性

0 引言

傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，速度控制器采用參數(shù)固定的控制器，如比例積分控制器（PI）。永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)影響較大，由于模糊控制推理方式類似于人的思維模式，已有相關(guān)文獻(xiàn)將模糊控制器應(yīng)用于PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[1-2]。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備良好的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，所以在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理論研究中，相關(guān)文獻(xiàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然具備良好的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，但是不適于表達(dá)基于規(guī)則的知識(shí)[4]。因此，本文將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，選取其各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器，用于控制PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)速度控制器性能良好，具有較強(qiáng)的魯棒性。

1 自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器原理

自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共分5層：第1層為輸入層;第2層為隸屬度函數(shù)表達(dá)層;第3層為模糊規(guī)則表達(dá)層;第4層實(shí)現(xiàn)的是歸一化計(jì)算;第5層為輸出層，實(shí)現(xiàn)的是清晰化計(jì)算，即：

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速一致時(shí)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出按照前一個(gè)時(shí)刻的參數(shù)計(jì)算得出。否則，便會(huì)按照上述算法對(duì)其進(jìn)行在線調(diào)整。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

基于對(duì)原理的分析，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器的實(shí)現(xiàn)方式如下：

用C++語(yǔ)言編寫模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，通過(guò)采樣實(shí)驗(yàn)采集程序訓(xùn)練所需的原始數(shù)據(jù)。將原始數(shù)據(jù)輸入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，離線訓(xùn)練，從而得到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器的初值。

電動(dòng)機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)采用矢量控制方案，永磁同步電動(dòng)機(jī)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理如圖1所示。

電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：定子電阻Rs=0.618? Ω，直軸電感Ld=0.007 418 H，交軸電感Lq=0.012 285 H，轉(zhuǎn)子磁鏈ψf=0.112 8 Wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=5.59×10-4 kg·m2，極對(duì)數(shù)pn=2。給定不同的初始速度觀察系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線，仿真實(shí)驗(yàn)條件為：負(fù)載0.2 Nm啟動(dòng)，0.5 s時(shí)負(fù)載突增為1 Nm。給定轉(zhuǎn)速分別為500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min，其速度響應(yīng)曲線分別如圖2、圖3、圖4所示，分別從3個(gè)性能指標(biāo)方面（穩(wěn)態(tài)時(shí)刻、超調(diào)量和負(fù)載突變速度變化幅值）對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

在3種給定速度下，永磁同步電動(dòng)機(jī)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的實(shí)際速度均能很快跟蹤上給定轉(zhuǎn)速（穩(wěn)態(tài)時(shí)刻最大僅為0.016 5 s），而且超調(diào)量很小（最大超調(diào)量為1.8%），這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能良好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，選取其各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器，用于控制PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)速度控制器性能良好，具有較強(qiáng)的魯棒性。

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收稿日期：2020-06-24

作者簡(jiǎn)介：徐大利（1983—），男，河北保定人，碩士，講師，從事電動(dòng)機(jī)控制、電梯電動(dòng)機(jī)控制研究工作。