專利名稱：無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器，適用于無軸承無刷直 流電機(jī)的高性能控制，屬于電力傳動控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無刷直流電機(jī)結(jié)合了直流電機(jī)和交流電機(jī)的特點，具有調(diào)速性能好、起動容易、能 夠載重起動、壽命長等優(yōu)點，并且維護(hù)方便、噪聲小、不存在因電刷而引起的一系列問題。無 軸承無刷直流電機(jī)利用磁場力作用實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮，既具備無刷直流電機(jī)的優(yōu)點，又 具備磁軸承電機(jī)的無摩擦、無磨損、不需潤滑和密封、高速度、高精度、壽命長的特點，具有 很大潛在的工程應(yīng)用價值?，F(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中對電機(jī)控制系統(tǒng)性能的要求越來越高，為了改善電機(jī)的性能，不 僅要對電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，也要采用先進(jìn)的控制策略對電機(jī)進(jìn)行控制。對無軸承無刷 直流電機(jī)的研究主要集中于對電機(jī)本體、控制器硬件電路及無位置傳感器等方面，對現(xiàn)代 控制策略應(yīng)用方面的研究較少，而普通PID控制算法僅能在線性時不變的數(shù)學(xué)模型所描述 的控制系統(tǒng)中獲得良好的性能。當(dāng)系統(tǒng)中存在未知或變化的動態(tài)量時，這種控制方式就不 能取得很好的效果，特別是將無軸承技術(shù)應(yīng)用到無刷直流電機(jī)當(dāng)中時，整個系統(tǒng)將變?yōu)橐?個復(fù)雜的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)時變過大時，系統(tǒng)甚至?xí)环€(wěn)定，難以實現(xiàn)無軸 承無刷直流電機(jī)的正常工作。為了提高無軸承無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，可以采用微分幾何或逆系 統(tǒng)控制方法，但這些方法要求被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精確已知，必須求出反饋控制的解析表 達(dá)式，而且要求系統(tǒng)參數(shù)恒定或參數(shù)變化規(guī)律已知，而作為一個復(fù)雜的非線性被控對象，無 軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)隨工況的變化十分明顯，加之存在一些不可預(yù)見的干擾和動態(tài) 影響，使微分幾何方法與解析逆系統(tǒng)方法難以在實際中真正應(yīng)用。國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)專利申請公開的有1)專利申請?zhí)枮镃N200510038099. 5，名稱 為磁懸浮開關(guān)磁阻電動機(jī)徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制器及構(gòu)造方法，針對的磁懸浮開關(guān)磁 阻電動機(jī)設(shè)計徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制器；2)專利申請?zhí)枮镃N200510040065. X，名稱為 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆五自由度無軸承永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)及控制方法，針對的是五自由度無 軸承永磁同步電機(jī)設(shè)計控制方法。3)專利申請?zhí)枮镃N200610038711.3，名稱為無軸承交 流異步電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制器及構(gòu)造方法，針對的是無軸承交流異步電機(jī)設(shè)計神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)逆解耦控制器。而目前還未見任何有針對無軸承無刷直流電機(jī)設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制 器的文獻(xiàn)公開；由于無軸承無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，必須分段推導(dǎo)其轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)及懸浮 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并且分段分析其可逆性，其對應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也與其它無軸承電 機(jī)不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器的構(gòu)造方法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆系統(tǒng)原理引入無軸承無刷直流電機(jī)，針對無軸承無刷直流電機(jī)構(gòu)造 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器，既可使無軸承無刷直流電機(jī)具有優(yōu)良的抗電機(jī)參數(shù)變化及抗負(fù) 載擾動能力，又能有效地提高無軸承無刷直流電機(jī)的各項控制性能指標(biāo)。本發(fā)明的技術(shù)方案是依次采用如下步驟1)由兩個PWM逆變器以及無軸承無刷直 流電機(jī)作為一個整體組成復(fù)合被控對象；2)建立復(fù)合被控對象的數(shù)學(xué)模型，采用靜態(tài)神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)加6個積分器來構(gòu)造復(fù)合被控對象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆；3)調(diào)整并確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個 權(quán)系數(shù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆置于復(fù)合被控對象之前串聯(lián)組成偽線性系統(tǒng)，偽線性系統(tǒng)等效為兩 個轉(zhuǎn)子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)；4)分別對兩個轉(zhuǎn)子位置 二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)設(shè)計兩個位置控制器和一個速度控 制器，并由兩個位置控制器和一個速度控制器來構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；5)將線性閉環(huán)控制 器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆和兩個PWM逆變器依次串接共同構(gòu)成無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆 控制器。本發(fā)明的有益效果是1.無軸承無刷直流電機(jī)比磁軸承支承的電機(jī)具有更加合理，更加實用的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子軸向長度大大縮短，電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率可以進(jìn)一步得到提高，并可以實現(xiàn)高速及 超高速運(yùn)行。2.通過構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆，將無軸承無刷直流電機(jī)這一非線性強(qiáng)耦合時變系統(tǒng)的控 制轉(zhuǎn)化為對兩個轉(zhuǎn)子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)的控制，可 以方便的采用PID、極點配置、線性最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)器或魯棒伺服調(diào)節(jié)器等方法設(shè)計線性閉 環(huán)控制器，使無軸承無刷直流電機(jī)獲得良好的動靜態(tài)性能以及抗負(fù)載擾動能力，有效地提 高無軸承無刷直流電機(jī)的各項控制性能指標(biāo)，如動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度及參數(shù)魯棒 性，很好地解決了無軸承無刷直流電機(jī)的高性能控制問題，實現(xiàn)無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子 徑向位移、轉(zhuǎn)速之間的獨立控制，確保電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運(yùn)行；極大地促進(jìn)了無刷直流電 動機(jī)的實用化步伐，而且為其它無軸承電機(jī)控制系統(tǒng)，以及適合磁軸承支承的各種類型的 電機(jī)控制的非線性系統(tǒng)線性化和解耦控制提供了一條有效途徑。3.采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加積分器來實現(xiàn)復(fù)合被控對象的逆系統(tǒng)，并構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α 階逆控制器來實現(xiàn)對無軸承無刷直流電機(jī)的控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制方法不依賴于被 控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，只需要很少的先驗知識，因而適用于常規(guī)的非線性系統(tǒng)，能夠很好 實現(xiàn)被控系統(tǒng)的解耦線性化。完全擺脫了傳統(tǒng)的微分幾何控制方法對數(shù)學(xué)模型的依賴性， 彌補(bǔ)了基于微分幾何控制方法中對無軸承無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型要求嚴(yán)格的缺陷，避免 了由于系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定所導(dǎo)致的系統(tǒng)控制誤差，能有效地減小電機(jī)參數(shù)變化與負(fù)載擾動對 無軸承無刷直流電機(jī)性能的影響，顯著地提高了無軸承無刷直流電機(jī)的性能指標(biāo)。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明

圖1是由兩個PWM逆變器2、3和無軸承無刷直流電機(jī)1組成的復(fù)合被控對象4 ； 圖2是由靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)5和6個積分環(huán)節(jié)構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6與復(fù)合被控對象4構(gòu)成的偽線性系統(tǒng)7的示意圖及其等效圖； 圖4是由線性閉環(huán)控制器8與偽線性系統(tǒng)7組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5是無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器9原理框圖； 圖中1.無軸承無刷直流電機(jī)；2、3.PWM逆變器；4.復(fù)合被控對象；5.靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 6.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆；7.偽線性系統(tǒng)；8.線性閉環(huán)控制器；9.無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階 逆控制器；81、82.位置控制器；83.速度控制器。
具體實施例方式參見圖1-5，本發(fā)明首先將兩個PWM逆變器2、3及無軸承無刷直流電機(jī)1作為一個 整體組成復(fù)合被控對象4，進(jìn)而采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)5加積分器來構(gòu)造復(fù)合被控對象4的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6，并通過調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6實現(xiàn)復(fù)合被控對象4的逆系 統(tǒng)功能，然后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6置于復(fù)合被控對象4之前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6與復(fù)合被控對象4組 成偽線性系統(tǒng)7，偽線性系統(tǒng)7等效為兩個位置二階積分型的偽線性子系統(tǒng)和一個速度二 階積分型的偽線性子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，分別針對三個積分子系統(tǒng)設(shè)計兩個位置控制器81、 82和一個速度控制器83，并由上述兩個位置控制器81、82和一個速度控制器83來構(gòu)成線 性閉環(huán)控制器8，最后將線性閉環(huán)控制器8、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6和兩個PWM逆變器2、3共同構(gòu)成 無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器9，實現(xiàn)無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移、 轉(zhuǎn)速之間的獨立控制，確保電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運(yùn)行。根據(jù)無軸承無刷直流電機(jī)不同的控 制要求，可選擇不同的硬件和軟件來實現(xiàn)。本發(fā)明將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆系統(tǒng)原理引入無軸承 無刷直流電機(jī)1，采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)5和線性環(huán)節(jié)來構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆6 逼近復(fù)合被控對象4的逆系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制方法不依賴于被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模 型，只需要很少的先驗知識，能夠很好實現(xiàn)被控系統(tǒng)的解耦線性化，并且可以大大提高系統(tǒng) 對參數(shù)變化和負(fù)載擾動的魯棒性。具體步驟如下1.參見圖1，形成復(fù)合被控對象4。由兩個PWM逆變器2、3以及無軸承無 刷直流電機(jī)1作為一個整體組成復(fù)合被控對象4;復(fù)合被控對象4的期望輸出為
權(quán)利要求
1.一種無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器的構(gòu)造方法，其特征是依次采用 如下步驟1)由兩個PWM逆變器(2、3)以及無軸承無刷直流電機(jī)(1)作為一個整體組成復(fù)合被控 對象(4)；2)建立復(fù)合被控對象(4)的數(shù)學(xué)模型，采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(5)加6個積分器來構(gòu)造復(fù) 合被控對象(4)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(6)；3)調(diào)整并確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(5)的各個權(quán)系數(shù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(6)置于復(fù)合被控對象(4)之前串聯(lián)組成偽線性系統(tǒng)(7)，偽線性系統(tǒng)(7)等效為兩個轉(zhuǎn)子位置二階積分線性子系 統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)；4)分別對兩個轉(zhuǎn)子位置二階積分線性子系統(tǒng)和一個速度二階積分線性子系統(tǒng)設(shè)計兩 個位置控制器(81、82)和一個速度控制器(83)，并由兩個位置控制器(81、82)和一個速度 控制器(83)來構(gòu)成線性閉環(huán)控制器(8)；5)將線性閉環(huán)控制器(8)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆(6)和兩個PWM逆變器(2、3)依次串接共同構(gòu)成 無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控 制器的構(gòu)造方法，其特征是步驟2)中，將復(fù)合被控對象(4)的期望輸出尸[辦辦為『=[ ^外的α階導(dǎo)數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器的構(gòu)造方法，其 特征是將
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器的構(gòu)造方法，先由兩個PWM逆變器和無軸承無刷直流電機(jī)作為一個整體組成復(fù)合被控對象；采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加6個積分器來構(gòu)造復(fù)合被控對象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆；再將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆置于復(fù)合被控對象之前串聯(lián)組成偽線性系統(tǒng)，然后設(shè)計兩個位置控制器和一個速度控制器構(gòu)成線性閉環(huán)控制器；最后將線性閉環(huán)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆和兩個PWM逆變器依次串接共同構(gòu)成無軸承無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)α階逆控制器，實現(xiàn)無軸承無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移、轉(zhuǎn)速之間的獨立控制，確保電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和運(yùn)行，使無軸承無刷直流電機(jī)獲得良好的動靜態(tài)性能以及抗負(fù)載擾動能力。
文檔編號H02P21/00GK102055390SQ20111000380
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者張婷婷, 朱熀秋, 潘偉 申請人:江蘇大學(xué)