一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法

1.本发明涉及开关磁阻电机调速控制技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机（srm）设计为双凸极结构，其制造无永磁体，成本较低，各相独立运行，具有结构简单，驱动电路可靠性高，启动转矩大等优点，特别适合频繁启停的应用场合，但是开关磁阻电机的双凸极结构造成了其相电感的严重非线性特性，使得其在工作时转矩脉动较为严重，限制了其在高性能需求场合的应用。传统的转矩控制方法使用双闭环控制结构，外环为速度环，内环为电流环，速度环产生给定参考转矩，再将参考转矩值变换为参考电流，实现对开关磁阻电机的运行控制。
3.申请号为202111503923.5的专利公开了一种滑模速度控制方法，通过改进滑模控制的趋近律的方法实现了速度控制的精度和性能，未针对转矩脉动问题进行研究。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法，能够有效抑制开关磁阻电机运行过程中的转矩脉动。
5.为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法，系统包括：神经网络滑模控制器、转矩分配模块、电流转换模块、电流滞环模块、功率变换器、电流检测模块、开关磁阻电机、位置编码器和微分运算模块，所述神经网络滑模控制器的输入端与微分运算模块的输出端和给定转速连接，所述神经网络滑模控制器的输出端与转矩分配模块的输入端连接，所述转矩分配模块的输出端与电流转换模块的输入端连接，所述电流滞环模块的输入端与电流转换模块的输出端和电流检测模块的输出端连接，所述电流滞环模块的输出端与功率变换器的输入端连接，所述功率变换器的输出端与开关磁阻电机的输入端和电流检测模块的输入端连接，所述开关磁阻电机的输出端与位置编码器的输出端连接，所述位置编码器的输出端与转矩分配模块的输入端和微分运算模块的输入端连接，其中：所述神经网络滑模控制器，用于对转速误差信号分别进行神经网络计算和滑模计算处理，并将处理结果进行求和计算得到参考转矩；所述转矩分配模块，用于将参考转矩进行分配并输入至各相，得到参考相转矩；所述电流转换模块，用于根据转矩与电流的逆模型，进行参考相转矩的计算，得到参考相电流；所述电流滞环模块，用于对参考相电流与反馈相电流进行比较并计算出功率变换器的驱动信号；所述功率变换器，用于给各相绕组施加电压或断开各相绕组的电压来控制开关磁阻电机工作；
所述位置编码器，用于检测开关磁阻电机转子的位置，即转子位置角；所述微分运算模块，用于根据开关磁阻电机转子的转子位置角进行微分运算，得到电机的实时转速。
6.进一步的，所述神经网络滑模控制器的算法具体如下所示：上式中，表示神经网络滑模控制器输出变量，表示径向基神经网络的输出，表示符号函数，表示符号函数的系数，表示等速趋近项，表示指数趋近项，s表示滑模面；所述的符号函数为：所述滑模面s为：上式中，表示给定转速值；表示实时转速值，e表示转速误差值；所述径向基神经网络的输出为：为：上式中，x表示径向基神经网络的输入向量，选取输入向量为，表示转速误差值的变化率；表示径向基神经网络的权值，表示径向基神经网络权值的转置；表示高斯基函数；j表示径向基神经网络的第j个节点；表示第j个中心节点，表示第j个节点的宽度。
7.进一步的，所述径向基神经网络的权值自适应率公式设计为：其中，表示量化因子。
8.进一步的，选取神经网络跟踪误差与满足如下约束条件：。
9.同时，本发明还提供一种开关磁阻电机神经网络滑模控制方法，包括以下步骤：s1、对给定转速值和实时转速值进行神经网络滑模调节处理，得到参考转矩值；s2、依据转子位置角对参考转矩值进行转矩分配，得到参考相转矩值；s3、依据转矩与电流的逆模型公式对相参考转矩值进行变换处理，得到参考相电
流；s4、对参考相电流与反馈相电流进行比较计算，输出驱动信号控制开关磁阻电机的工作状态；s5、根据开关磁阻电机的工作状态得到转子位置角；s6、对转子位置角进行微分运算处理，得到电机的实时转速。
10.本发明方法及其器件的有益效果是：在开关磁阻电机的转矩双闭环控制系统中，外环为转速环，内环为电流环，使用普通滑模进行转速控制时，通过设计控制变量逼近滑模面达到转速稳定的目标，转速与输出转矩为非线性的关系，在开关磁阻电机参数未能精确获得的情况下，通过输出控制变量的大幅度切换达到跟踪转速误差的目标，未能有效抑制转矩脉动，通过引入神经网络对转速误差和转速误差变化量进行跟踪建模，降低滑模输出变量的切换幅值，从而能够有效抑制开关磁阻电机的转矩脉动，提高开关磁阻电机运行的性能。
附图说明
11.图1是本发明一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统的流程示意图；图2是本发明一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统的神经网络滑模控制器内部结构示意图；图3是本发明一种开关磁阻电机滑模电流补偿控制方法的步骤流程图；图4是开关磁阻电机负载转矩2nm转速400r/min时，滑模变结构控制方法的输出转矩和相电流曲线图；图5是开关磁阻电机负载转矩2nm转速400r/min时，本发明的神经网络滑模控制方法的输出转矩和相电流曲线图；图6是开关磁阻电机负载转矩5nm转速800r/min时，滑模变结构控制方法的输出转矩和相电流曲线图；图7是开关磁阻电机负载转矩5nm转速800r/min时，本发明的神经网络滑模控制方法的输出转矩和相电流曲线图。
12.附图标记：1、神经网络滑模控制器；2、转矩分配模块；3、电流转换模块；4、电流滞环模块；5、功率变换器；6、电流检测模块；7、开关磁阻电机；8、位置编码器；9、微分运算模块。
具体实施方式
13.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
14.参照图1，本发明提供了一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法，该系统包括：神经网络滑模控制器1、转矩分配模块2、电流转换模块3、电流滞环模块4、功率变换器5、电流检测模块6、开关磁阻电机7、位置编码器8和微分运算模块9，所述神经网络滑模控制器1的输入端与微分运算模块9的输出端和给定转速连接，所述神经网络滑模控制器1的输出端与转矩分配模块2的输入端连接，所述转矩分配模块2的输出端与电流转换模块3的输
入端连接，所述电流滞环模块4的输入端与电流转换模块3的输出端和电流检测模块6的输出端连接，所述电流滞环模块4的输出端与功率变换器5的输入端连接，所述功率变换器5的输出端与开关磁阻电机7的输入端和电流检测模块6的输入端连接，所述开关磁阻电机7的输出端与位置编码器8的输出端连接，所述位置编码器8的输出端与转矩分配模块2的输入端和微分运算模块9的输入端连接。
15.参考图2，神经网络滑模控制器1对转速误差值与转速误差值的变化率进行处理，算法具体为：
16.上式中，表示神经网络滑模控制器1的输出变量，表示径向基神经网络的输出，表示符号函数，表示符号函数的系数，表示等速趋近项，表示指数趋近项，s表示滑模面，也即转速误差值；符号函数具体设计为：滑模面s根据给定转速值和实时转速值计算得到，具体为：上式中，为给定转速值；为实时转速值，e为转速误差值；设计径向基神经网络的输出为：为：上式中，x为径向基神经网络的输入向量，选取输入向量为，表示转速误差值的变化率；表示径向基神经网络的权值，表示径向基神经网络权值的转置；为高斯基函数；j为径向基神经网络的第j个节点；表示第j个中心节点，表示第j个节点的宽度。
17.为验证神经网络滑模控制器1的稳定性，根据符号函数设计稳定性判据，具体如下：设计滑模面为神经网络滑模控制器1的输出为设计稳定性判据为：
则选取自适应控制率为则稳定性判据变为选取神经网络的跟踪误差与符号函数的系数的值满足约束条件：则有当时，；当时，；当时，；稳定性判据始终满足，根据lyapunov稳定性判据，系统稳定性得以保证。
18.转矩分配模块2，用于将参考转矩进行分配并输入至各相，得到参考相转矩；电流转换模块3，用于根据转矩与电流的逆模型，进行参考相转矩的计算，得到参考相电流；电流滞环模块4，用于对参考相电流与反馈相电流进行比较并计算出功率变换器的驱动信号；功率变换器5，用于给各相绕组施加电压或断开各相绕组的电压来控制开关磁阻电机工作；电流检测模块6，用于检测开关磁阻电机运行时的相电流，得到反馈相电流；位置编码器8，用于检测开关磁阻电机转子的位置，即转子位置角，安装于电机端部，电机旋转时产生编码计数信号，通过计数值的增减计算或清零得到开关磁阻电机转子的位置；微分运算模块9，用于根据开关磁阻电机的转子位置角进行计算，得到电机的实时转速，电机转速等于单位时间内转子位置角的增加量除以编码器旋转一圈的计数值，所得
结果再除以该单位时间值得到。
19.同时，本发明还提供一种开关磁阻电机滑模电流补偿控制方法，具体包括以下步骤：s1、对给定转速值和反馈转速值进行神经网络滑模调节处理，得到参考转矩值；s2、依据转子位置角对参考转矩值进行转矩分配，得到参考相转矩值；s3、依据转矩与电流的逆模型公式对相参考转矩值进行变换处理，得到参考相电流；s4、对参考相电流与反馈相电流进行比较计算，输出驱动信号控制开关磁阻电机的工作状态；s5、根据开关磁阻电机的工作状态得到转子位置角；s6、对转子位置角进行微分运算处理，得到电机的实时转速。
20.具体地，参照图3，转速误差信号通过神经网络滑模控制器1得到给定参考转矩值，转矩分配模块2依据转子位置角将给定参考转矩值进行分配，得到参考相转矩，将参考相转矩送入电流转换模块3，并依据转矩与电流的逆模型公式对相参考转矩值进行变换处理，得到参考相电流，将参考相电流与实际检测到的反馈相电流一起送入电流滞环模块4，电流滞环模块4的输出连接到功率变换器5，功率变换器5连接到开关磁阻电机7，功率变换器5同时连接到电流检测模块6，输出反馈相电流，开关磁阻电机7的运行状态经位置编码器8得到转子位置角，微分运算模块9将转子位置角变换为电机的实时转速，转速控制环构成了控制外环，电流控制环构成了控制内环。
21.本发明的仿真实验过程如下所示：基于matlab/simulink平台上进行仿真实验，开关磁阻电机各项参数为：定子极数为12，转子极数为8，直流母线电压为60v，转动惯量为，摩擦系数为，转速设定为300r/min，转矩脉动的计算方法为，其中，表示转矩脉动，表示测量中的最大转矩值，为测量中的最小转矩值，为测量中的平均转矩值；参照图4所示为开关磁阻电机负载转矩2nm转速400r/min时，滑模变结构控制方法的输出转矩和相电流曲线图，转矩脉动为21.2%；参照图5所示为开关磁阻电机负载转矩2nm转速400r/min时，本发明的神经网络滑模控制方法的输出转矩和相电流曲线图，转矩脉动为16.8%；参照图6所示为开关磁阻电机负载转矩5nm转速800r/min时，滑模变结构控制方法的输出转矩和相电流曲线图，转矩脉动为19.5%；参照图7所示为开关磁阻电机负载转矩5nm转速800r/min时，本发明的神经网络滑模控制方法的输出转矩和相电流曲线图，转矩脉动为7.3%；综上，可以得到本发明的神经网络滑模控制方法能够有效抑制开关磁阻电机的转矩脉动，提高开关磁阻电机运行的性能。
22.上述系统实施例中的内容均适用于本方法实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述系统实施例所达到的有益效果也相同。
23.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法，该系统包括：神经网络滑模控制器、转矩分配模块、电流转换模块、电流滞环模块、功率变换器、电流检测模块、开关磁阻电机、位置编码器和微分运算模块，所述神经网络滑模控制器的输入端与微分运算模块的输出端和给定转速连接，所述神经网络滑模控制器的输出端与转矩分配模块的输入端连接，所述转矩分配模块的输出端与电流转换模块的输入端连接，所述电流滞环模块的输入端与电流转换模块的输出端和电流检测模块的输出端连接，所述电流滞环模块的输出端与功率变换器的输入端连接，所述功率变换器的输出端与开关磁阻电机的输入端和电流检测模块的输入端连接，所述开关磁阻电机的输出端与位置编码器的输出端连接，所述位置编码器的输出端与转矩分配模块的输入端和微分运算模块的输入端连接，其中：所述神经网络滑模控制器，用于对转速误差信号分别进行神经网络计算和滑模计算处理，并将处理结果进行求和计算得到参考转矩；所述转矩分配模块，用于将参考转矩进行分配并输入至各相，得到参考相转矩；所述电流转换模块，用于根据转矩与电流的逆模型，进行参考相转矩的计算，得到参考相电流；所述电流滞环模块，用于对参考相电流与反馈相电流进行比较并计算出功率变换器的驱动信号；所述功率变换器，用于给各相绕组施加电压或断开各相绕组的电压来控制开关磁阻电机工作；所述位置编码器，用于检测开关磁阻电机转子的位置，即转子位置角；所述微分运算模块，用于根据开关磁阻电机转子的转子位置角进行微分运算，得到电机的实时转速。2.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统，其特征在于，所述神经网络滑模控制器的算法具体如下所示：，上式中，表示神经网络滑模控制器输出变量，表示径向基神经网络的输出，表示符号函数，表示符号函数的系数，表示等速趋近项，表示指数趋近项，s表示滑模面；所述的符号函数为：，所述滑模面s为：，上式中，表示给定转速值；表示实时转速值，e表示转速误差值；所述径向基神经网络的输出为：
，，上式中，x表示径向基神经网络的输入向量，选取输入向量为，表示转速误差值的变化率；表示径向基神经网络的权值，表示径向基神经网络权值的转置；表示高斯基函数；j表示径向基神经网络的第j个节点；表示第j个中心节点，表示第j个节点的宽度。3.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统，其特征在于，所述径向基神经网络的权值自适应率公式设计为：，其中，表示量化因子。4.根据权利要求2所述一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统，其特征在于，选取的神经网络跟踪误差与满足如下约束条件：。5.一种开关磁阻电机神经网络滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对给定转速值和实时转速值进行神经网络滑模调节处理，得到参考转矩值；s2、依据转子位置角对参考转矩值进行转矩分配，得到参考相转矩值；s3、依据转矩与电流的逆模型公式对相参考转矩值进行变换处理，得到参考相电流；s4、对参考相电流与反馈相电流进行比较计算，输出驱动信号控制开关磁阻电机的工作状态；s5、根据开关磁阻电机的工作状态得到转子位置角；s6、对转子位置角进行微分运算处理，得到电机的实时转速。

技术总结
本发明公开了一种开关磁阻电机神经网络滑模调速系统及方法，该系统包括：神经网络滑模控制器、转矩分配模块、电流转换模块、电流滞环模块、功率变换器、开关磁阻电机、位置编码器和微分运算模块。本发明通过神经网络滑模控制器对转速误差信号分别进行神经网络建模计算和滑模计算，并进行求和计算得到参考转矩，所得到的参考转矩用于转矩分配方法构成的系统，能够有效抑制开关磁阻电机的转矩脉动。本发明作为一种开关磁阻电机的神经网络滑模调速系统及方法，可广泛应用于开关磁阻电机调速控制技术领域。技术领域。技术领域。


技术研发人员：经本钦 党选举 丘源 陈少航 刘政 蒋延军 杨春山 黄和悦 嵇建波 李精华
受保护的技术使用者：桂林航天工业学院
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/25