一种单神经元PI控制的开关磁阻电机调速系统

一种单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统
技术领域
1.本技术涉及开关磁阻电机领域，尤其涉及一种单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统。


背景技术：

2.开关磁阻电机调速系统(srd)因其结构坚固简单、可靠性高、调速范围宽、控制灵活、效率高、成本低等优点，而在市场中具有一定的竞争力。但由于开关磁阻电机(srm)为双凸极结构，且为了获得更高的输出转矩，经常需要将磁路设计得较为饱和，导致其电磁特性呈现高度非线性，采用常规的线性控制方法，难以满足其复杂工况下的动静态性能要求。
3.常规pi控制作为线性控制方法的代表，以其结构简单、调整方便、工程上易于实现、可靠性高等优点受到青睐，目前仍然被广泛采用。常规pi控制器的参数调节依赖于被控对象的特性和实际工况，进行预先计算，从而得到一组固定的pi参数；然而当被控对象模型数量多，实际工况较为复杂时，由于pi参数本身具有的高度非线性和不确定性，其调整测算变得尤为困难，不易得到合适的pi参数值。
4.同时，srm的电磁关系呈高度非线性，在不同的控制方式下，整个控制系统的参数、结构都是变化的，还会受到内外部各种干扰因素影响，而固定参数的pi控制器不能在线修正参数，很难满足系统实时控制的需求。
5.较为新兴的单神经元技术，其自学习能力使得神经网络能够按照控系统的变化实时调整神经元的连接权值，使控制器实现自适应控制功能。将具有自学习和自适应能力的单神经元与pi控制结合起来，构成pi参数自适应的单神经元pi控制器，不但结构简单，而且能够快速适应系统参数变化和内外部扰动，权值学习速度更快，有较强的鲁棒性；然而实际应用实例较少，目前仍具有大量技术空缺。


技术实现要素：

6.解决的技术问题：常规pi控制器用于开关磁阻电机调速系统时，pi参数值整定困难且不能随工况实时调整；运用单神经元学习特点，可以根据学习规则在线调整pi控制器的参数值，降低参数调节难度，提高系统自适应、自学习的能力，但应用实例较少；本技术的目的是提供一种单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统稳定的应用模式。
7.技术方案：本技术公开了一种单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，包括开关磁阻电机；用于采集并输出开关磁阻电机转子的角度位置信息的位置检测模块；用于采集并输出开关磁阻电机各相绕组的实际电流信息的电流检测模块；用于接收角度位置信息并转换为实际转速信息输出的转速计算模块；用于接收实际转速信息，并通过对实际转速信息和对应设置的参考转速信息进行加权、离散积分计算得到参考电流值的单神经元pi控制器；用于接收参考电流值和实际电流信息并计算两者差值，将该差值转换为中间逻辑
信息输出的电流斩波控制器；用于接收参考电流值和实际转速信息，并计算得到优化开通角信息输出的开通角优化控制器；用于接收优化开通角信息、角度位置信息和中间逻辑信息并将上述信息汇总为总逻辑开关信号输出的换相逻辑控制器；用于接收总逻辑开关信号，控制各相开关器件开关状态以调整电流输出状态的功率变换器。
8.优选地，所述单神经元pi控制器的计算包括以下步骤：步骤一： 所述单神经元pi控制器接收前一采样时刻和当前采样时刻的实际转速信息与参考转速信息，计算得到差值后转换为状态变量，具体计算公式如下：
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（1）其中，为当前采样时刻的实际转速与参考转速的差值，为前一采样时刻的实际转速与参考转速的差值；为当前采样时刻与前一采样时刻在实际转速与参考转速上的差值变化量；计算得到的为积分项状态变量，为比例项状态变量；步骤二：对单神经元连接权值进行调整，将得到的状态变量带入hebb学习规则中，具体学习规则如下：
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(2)其中，和为当前采样时刻的权值；η
p
、ηi分别为规定的比例、积分的学习速率；为当前采样时刻规定的转速误差矫正参数；为当前采样时刻控制器的控制量；计算得到的和作为下一采样时刻的权值；步骤三：对权值进行归一化计算，计算公式如下：
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（3）式中，为归一化的权值，取1和2；步骤四：对求得的状态变量进行加权求和并增益倍，具体计算公式如下：
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（4）
其中，为当前采样时刻单神经元pi控制器输出的控制量；为规定的增益倍数；将作为下一采样时刻单神经元pi控制器输出的控制量；取1和2；回到步骤一，进行下一采样时刻的控制量计算；优选地，所述转速误差矫正参数设置为。
9.优选地，所述开通角优化控制器的开通角优化计算公式如下：
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（5）其中，θ
on
为优化开通角信息，θ1为电感开始上升处的角度位置信息，i
ref
为单神经元pi控制器计算输出的参考电流，l
min
为实际电感的最小值，n为实际转速信息，ud为实际电路的母线直流电压。
10.优选地，所述换相逻辑控制器通过接收和结合所述优化开通角信息θ
on
、固定的关断角信息、角度位置信息以及中间逻辑信息，汇总转换为总逻辑开关信号输出。
11.优选地，所述中间逻辑信息为除初始时刻和结束时刻逻辑信息以外，转换为总逻辑开关信号的逻辑信息。
12.优选地，所述电流斩波控制器对功率变换器的控制方式为软斩波控制。
13.优选地，所述功率变换器为不对称半桥拓扑电路。
14.有益效果：运用单神经元的循环学习调参功能，使pi控制器获得自学习和自适应的能力。使本系统能在线调整pi控制器的参数值，以应对传统开关磁阻电机调速系统非线性因素的影响，有效地降低了稳态时的转速脉动，增强了单神经元调控的pi控制器应用价值。
附图说明
15.图1为本技术单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统框图；图2为本技术中单神经元pi控制器计算的流程图；图3为本技术中单神经元pi控制器的结构框图；图4为本技术中功率变换器的工作状态图；图5为本技术中开通角优化控制器控制下的各相绕组电流图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本技术的技术方案作进一步说明。
17.如图1所示，本技术公开了一种单神经元pi调控的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机；用于采集并输出开关磁阻电机转子的角度位置信息的位置检测模块；用于采集并输出开关磁阻电机各相绕组的实际电流信息的电流检测模块；用于接收角度位置信息并转换为实际转速信息输出的转速计算模块；用于接收实际转速信息并计算实际转速信息与对应设置的参考转速信息的差值，并通过对该差值转换后的状态变量进行加权、离散积分计算得到参考电流值的单神经元pi控制器；用于接收参考电流值和实际电流信息并计算两者差值，将该差值转换为中间逻辑信息输出的电流斩波控制器；用于接收参考电流值和实际
转速信息，并计算得到优化开通角信息θ
on
输出的开通角优化控制器；用于接收和结合所述优化开通角信息θ
on
、固定的关断角信息数据、角度位置信息和中间逻辑信息，汇总转换为总逻辑开关信号输出的换相逻辑控制器；用于接收总逻辑开关信号，控制各相开关器件开关状态以调整电流输出状态的功率变换器。
18.所述中间逻辑信息为除初始时刻和结束时刻逻辑信息以外，转换为总逻辑开关信号的逻辑信息。
19.如图2所示，计算包括以下步骤：步骤一： 所述单神经元pi控制器接收前一采样时刻和当前采样时刻的实际转速信息与参考转速信息计算得到差值后，转换为状态变量，具体计算公式如下：
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（1）其中，为当前采样时刻的实际转速与参考转速的差值，为前一采样时刻的实际转速与参考转速的差值；为当前采样时刻与前一采样时刻在实际转速与参考转速上的差值变化量；计算得到的为积分项状态变量，为比例项状态变量；步骤二：将得到的状态变量带入对单神经元连接权值使用hebb学习规则得到的调整规则中，具体调整规则如下：
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(2)其中，和为当前采样时刻的权值；η
p
、ηi分别为规定的比例、积分的学习速率；为当前采样时刻规定的转速误差矫正参数，设置为；为当前采样时刻控制器输出的控制量；将计算得到的和作为下一采样时刻的权值；例如，首先将未采样时刻的状态变量带入调整规则式（2）中，其中，，为规定值；故可计算得到初始采样时刻的状态变量与；步骤三：对权值进行归一化计算，得到归一化的权值，计算公式如下：
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（3）
式中，为归一化的权值，取1和2；接续上例，将得到的状态变量与带入归一化的权值计算公式（3）后得到初始时刻的；步骤四：对求得的状态变量进行加权求和并增益倍，具体计算公式如下：
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（4）其中，为当前采样时刻控制器输出的控制量；为规定的神经元增益倍数；作为下一采样时刻控制器输出的控制量；取1和2；接续上例，将带入公式（4）得到下一时刻，即初始采样时刻时，控制器输出的控制量；回到步骤一，进行下一采样时刻的控制量计算；所述单神经元pi控制器的具体结构如图3所示。
20.如图4所示，所述功率变换器采用不对称半桥拓扑电路，开关磁阻电机常用的不对称半桥式功率变换器有三种工作状态，图3中，(a)表示功率变换器工作在正电压“励磁状态”，开关器件q1、q2同时导通，定义为“s = 1”；(b)表示工作在负电压“退磁状态”，q1、q2同时关断，定义为“s =
ꢀ−
1”；(c)表示工作在零电压“续流状态”，q1导通而q2关断，定义为“s = 0”。
21.所述电流斩波控制器对功率变换器采用软斩波控制方式，控制器内，根据参考电流值和滞环宽度，设置滞环控制的上下限，当相电流小于滞环下限值时，功率变换器进入正电压励磁状态。硬斩波控制模式下，当相电流达到滞环上限时，功率变换器切换成负电压退磁状态，即功率电路在“s = 1”和“s =
ꢀ−
1”两种工作状态下来回切换。软斩波控制模式下，当相电流达到滞环上限时，功率变换器切换成零电压续流状态，即功率电路在“s = 1”和“s = 0”两种工作状态下来回切换。
22.图5所示为开通角控制的各相绕组电路图，开通角优化控制器的开通角优化计算公式如下：
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（5）其中，θ
on
为优化开通角信息，θ1为电感开始上升处的角度位置信息，i
ref
为单神经元pi控制器计算输出的参考电流，l
min
为实际电感的最小值，n为实际转速信息，ud为实际电路的母线直流电压。

技术特征：
1.一种单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，包括开关磁阻电机；用于采集并输出开关磁阻电机转子的角度位置信息的位置检测模块；用于采集并输出开关磁阻电机各相绕组的实际电流信息的电流检测模块；用于接收角度位置信息并转换为实际转速信息输出的转速计算模块；用于接收实际转速信息，并通过对实际转速信息和对应设置的参考转速信息进行加权、离散积分计算得到参考电流值的单神经元pi控制器；用于接收参考电流值和实际电流信息并计算两者差值，将该差值转换为中间逻辑信息输出的电流斩波控制器；用于接收参考电流值和实际转速信息，并计算得到优化开通角信息输出的开通角优化控制器；用于接收优化开通角信息、角度位置信息和中间逻辑信息并将上述信息汇总为总逻辑开关信号输出的换相逻辑控制器；用于接收总逻辑开关信号，控制各相开关器件开关状态以调整电流输出状态的功率变换器。2.根据权利要求1所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述单神经元pi控制器的计算包括以下步骤：步骤一： 所述单神经元pi控制器接收前一采样时刻和当前采样时刻的实际转速信息与参考转速信息，计算得到差值后转换为状态变量，具体计算公式如下：
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（1）其中，为当前采样时刻的实际转速与参考转速的差值，为前一采样时刻的实际转速与参考转速的差值；为当前采样时刻与前一采样时刻在实际转速与参考转速上的差值变化量；计算得到的为积分项状态变量，为比例项状态变量；步骤二：对单神经元连接权值进行调整，将得到的状态变量带入hebb学习规则中，具体学习规则如下：
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(2)其中，和为当前采样时刻的权值；η
p
、η
i
分别为规定的比例、积分的学习速率；为当前采样时刻规定的转速误差矫正参数；为当前采样时刻控制器的控制量；计算得到的和作为下一采样时刻的权值；步骤三：对权值进行归一化计算，计算公式如下：
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（3）式中，为归一化的权值，取1和2；步骤四：对求得的状态变量进行加权求和并增益倍，具体计算公式如下：
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（4）其中，为当前采样时刻单神经元pi控制器输出的控制量；为规定的增益倍数；将作为下一采样时刻单神经元pi控制器输出的控制量；取1和2；回到步骤一，进行下一采样时刻的控制量计算。3.根据权利要求2所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述转速误差矫正参数设置为。4.根据权利要求1所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述开通角优化控制器的开通角优化计算公式如下：
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（5）其中，θ
on
为优化开通角信息，θ1为电感开始上升处的角度位置信息，i
ref
为单神经元pi控制器计算输出的参考电流，l
min
为实际电感的最小值，n为实际转速信息，u
d
为实际电路的母线直流电压。5.根据权利要求4所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述换相逻辑控制器通过接收和结合所述优化开通角信息θ
on
、固定的关断角信息、角度位置信息以及中间逻辑信息，汇总转换为总逻辑开关信号输出。6.根据权利要求1所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述中间逻辑信息为除初始时刻和结束时刻逻辑信息以外，转换为总逻辑开关信号的逻辑信息。7.根据权利要求1所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述电流斩波控制器对功率变换器的控制方式为软斩波控制。8.根据权利要求1所述的单神经元pi控制的开关磁阻电机调速系统，其特征在于，所述功率变换器为不对称半桥拓扑电路。

技术总结
本申请公开了一种单神经元PI控制的开关磁阻电机调速系统，包括开关磁阻电机；用于接收实际转速信息，并通过对实际转速信息和对应设置的参考转速信息进行加权、离散积分计算得到参考电流值的单神经元PI控制器；用于接收参考电流值和实际电流信息并计算两者差值，将该差值转换为中间逻辑信息输出的电流斩波控制器；用于接收参考电流值、实际转速信息和中间逻辑信息汇总成的总逻辑开关信号，控制各相开关器件开关状态以调整电流输出状态的功率变换器。运用单神经元的循环学习调参功能，使PI控制器获得自学习和自适应的能力，在线调整PI参数以应对传统开关磁阻电机调速系统非线性因素的影响，增强了单神经元调控的PI控制器应用价值。用价值。用价值。


技术研发人员：殷文焯 李国利 管旻珺
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/9