CN107294453B - 磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统 - Google Patents

磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明是一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络的磁链增量PID控制得到参考磁链，通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络的电流增量PID控制得到参考电流；磁链分配与电流分配得到三相参考电流与磁链，配合输入二维滞环控制器，得到恒转矩下有效的开关量。本系统信号处理器含有相关各运算模块和电流、磁链分配模块及二维滞环控制器。信号处理器接受电流和位置传感器信号，经各模块运算，得二维滞环控制器开关量，控制功率驱动器驱动SRM运行。实现输出电流收敛到参考电流，与此同时，输出磁链收敛到参考磁链，实现开关磁阻电机总转矩脉动的有效控制。

Description

磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车驱动用开关磁阻电机的控制技术领域，具体为一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法与系统。
背景技术
开关磁阻电机SRM(Switched Reluctance Motor，SRM)为双凸极电机，定子有集中绕组，转子既无绕组亦无永磁体，其运动由定、转子间气隙磁阻的变化而产生，具有结构坚固、机电能量转换效率高、调速范围宽、成本低廉等诸多优点。然而其双凸极结构、开关供电方式等因素致使其转矩脉动问题尤为突出，限制其在振动和噪声问题要求高的领域的应用与推广，故抑制开关磁阻电机的转矩脉动的抑制为近年的研究热点。
为了抑制SRM转矩脉动，国内外进行了多方面的研究，取得大量的研究成果。SRM控制系统是通过电流的电磁感应产生磁场来带动转子运转，故目前的控制策略以电流和磁链的控制为主，基于电流的控制策略主要分两种：(1)转矩分配控制TSF(Torque SharingFunction,TSF)策略，参考转矩经分配后求得三相参考电流，通过参考电流与输出电流的偏差形成滞环的一维逻辑约束，使输出电流收敛到参考电流，间接抑制转矩脉动。(2)为简化转矩分配中三相转矩到三相电流的求解过程，提出电流分配控制策略，通过对运算顺序的转换，先求出总参考电流,再分配参考电流，将三相转矩到三相电流的三维拟合算法简化为总转矩-电流的一维拟合算法；在转矩分配控制的基础上提出了电流分配控制CSF(CurrentSharing Function,CSF)，简化了三相电流的求解过程，提升了拟合转矩电流非线性关系算法的工作效率。
基于磁链的控制策略主要分为两类：(1)直接转矩控制DTC(Direct TorqueControl,DTC)策略，通过磁链偏差与转矩偏差联合形成滞环控制的二维逻辑约束，得到有效的开关量，用于减小转矩脉动。文献将直接转矩控制DTC的思想引入到SRM，通过转矩闭环控制和磁链闭环控制的联合控制实现减少转矩脉动的目的，但存在参考磁链值不易得到且换相突变未能有效解决的缺陷；(2)磁链分配控制策略，文献为避免引入转矩与电流的非线性关系，而引入磁链分配FSF控制，直接采用磁链滞环控制非线性较强的磁链，使瞬时磁链有效跟踪参考磁链，进而减小转矩脉动。采用直接瞬时转矩控制策略DITC(DirectInstantaneous Torque Control,DITC)，相对DTC而言，该方法无需磁链环，直接使用基于转矩偏差一维约束的滞环控制器，产生每相开关信号。有的文献对比分析了直接转矩控制DTC和转矩分配TSF控制两种控制策略的控制效果，在磁链特性未知的情况下，转矩分配控制的控制效果更明显。另有文献对比分析了转矩分配控制TSF与直接瞬时转矩控制DITC以及电流斩波控制的控制效果，在有限元电机模型下，转矩分配控制的转矩脉动最小且控制结构简单。故相对而言，分配控制的控制效果更好。总之，上述总体控制方案大体分为两个大类:(1)通过转矩和磁链偏差的二维逻辑约束实现直接转矩控制；(2)在处理换相突变的问题上，采用分配控制策略。两种方案均在抑制SRM转矩脉动有一定效果，但DTC未考虑换相突变问题，而电流和转矩分配控制只考虑突变问题，在滞环控制约束上未考虑磁链的非线性。
总之，SRM磁链的强非线性使其模型难以准确获得，传统转矩分配控制将非线性问题线性化处理，致使输出转矩脉动过大，常规PID控制参数固定，无法随控制对象参数变化及时调整，难以达到期望精度，需要设计一种新的开关磁阻电机转矩脉动的抑制方法。
发明内容
本发明的目的是设计一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络DWNN(Double Weights Neural Network)的磁链增量比例积分微分PID(Proportional integral differential，PID)控制得到参考磁链，通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络DWNN的电流增量比例积分微分PID控制得到参考电流；磁链分配FSF(Flux Sharing Function,FSF)与电流分配CSF(Current SharingFunction,CSF)得到三相参考电流与磁链，配合二维逻辑约束滞环控制，得到恒转矩下有效的开关量，实现SRM输出电流收敛到参考电流，与此同时，输出磁链收敛到参考磁链，间接实现SRM总转矩的有效控制。
本发明的另一目的是设计一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的系统，包括信号处理器、功率驱动器、电流传感器、位置传感器及开关磁阻电机SRM。信号处理器含有偏差预处理模块、电流增量PID控制模块、磁链增量PID控制模块、电流双权值神经网络模块、磁链双权值神经网络模块、电流分配模块、磁链分配模块及二维滞环控制器。信号处理器接受电流传感器信号和位置传感器信号，经各模块运算，二维滞环控制器连接功率驱动器，功率驱动器的输出控制SRM运行。
本文件内SRM表示开关磁阻电机，PID表示比例积分微分。
本发明设计的一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络的磁链增量PID控制得到参考磁链通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络的电流增量PID控制得到参考电流id(k)；通过电流分配函数和磁链分配函数分别得到三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量。三相磁链参考控制量与对应的三相输出磁链的差为三相磁链偏差；三相电流参考控制量与对应的三相瞬时电流的差为三相电流偏差；三相磁链偏差和三相电流偏差联合作为二维滞环控制器的输入，得到恒转矩下有效的滞环控制开关量，控制SRM运行。实现SRM输出电流收敛到参考电流，与此同时，SRM输出磁链收敛到参考磁链，间接实现总转矩的有效控制，有效抑制SRM转矩脉动。
本发明一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法包括以下步骤：
I、磁链双权值神经网络和电流双权值神经网络
I-1、基于双权值神经网络的电流与磁链控制
在本控制方法中，电流双权值神经网络与电流增量PID控制、磁链双权值神经网络与磁链增量PID控制结构一致。Tout为双权值神经网络的输出转矩，△ud(k)是k时刻ud(k)变量的增量，△ud(k-1)是△ud(k)的前一时刻值。fal(e)是对转矩偏差△T＝e预处理函数。
I-11、电流双权值神经网络
k时刻SRM的参考电流id(k)与其前一时刻k-1时刻SRM的参考电流id(k-1)的差为△id(k)，即id(k)＝id(k-1)+△id(k)。△id(k-1)为Δid(k)前一时刻k-1时刻的值。
电流双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出Te、Te前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出Te-1以及k-1时刻参考电流的增量Δid(k-1)，其输出为Tout1。Tout1与Te的差值为电流双权值神经网络的监督学习信号。
通过电流双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整电流增量PID控制器的三个参数增量Δkp1(k),Δkl1(k)及Δkd1(k)，Δkp1(k),Δkl1(k)及Δkd1(k)是对应k时刻的三个参数kp1(k),kl1(k)及kd1(k)的增量，由此得到对应电流增量PID控制器的三个参数kp1(k),kl1(k)及kd1(k)。
I-12、磁链双权值神经网络
k时刻SRM的参考磁链与其前一时刻k-1时刻SRM的参考磁链的差为即 为前一时刻的值。
磁链双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出Te、Te前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出Te-1以及k-1时刻参考磁链的增量其输出为Tout2。Tout2与Te的差值为磁链双权值神经网络的监督学习信号。
通过磁链双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整磁链增量PID控制器的三个参数增量Δkp2(k),Δkl2及△kd2(k)，由此得到对应k时刻的磁链增量PID控制器的三个参数kp2(k),kl2(k)及kd2(k)。
基于转矩偏差形成的增量PID控制的统一表达式如下所示：
u(k)＝u(k-1)+△u(k) (1)
△u(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kle(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (2)
其中，e(k)为k时刻的转矩偏差△T，e(k-1)表示e(k)前一时刻的值；u(k)表示id(k)和u(k-1)表示u(k)前一时刻的值；△u(k)表示△id(k)和kp(k)、kl(k)及kd(k)分别对应表示k时刻的参数kp1(k)、kl1(k)及kd1(k)和kp2(k)、kl2(k)及kd2(k)。
神经网络辨识输出的雅可比矩阵和统一用雅可比矩阵表示，用于在线调整PID控制器的参数。
改进后的双权值神经元函数如下：
其中，hj为隐含层输出函数，f(x)为激活函数，x是函数自变量。Tout为双权值神经网络输出转矩，wlj为方向权值，qlj为核心权值，vj为输出权值，blj为可调整的次幂，a1范围0～1,次幂m范围1,2,3,xl是隐含节点输入，l＝1,2,3，三个输入分别为：△ud(k-1)，转矩Te_1和转矩Te。
I-2增量PID控制器的参数自适应调整
对应离散域k时刻的转矩偏差△T＝e(k)进行预处理，得到本发明采用的转矩偏差预处理函数fal(e)，作为PID控制器的输入，使之实现理想的控制方式，即“小误差，大增益，大误差，小增益”，具体计算公式如下：
其中，α为非线性因子，取值范围0～1；δ为线性区间长度，取值范围0～1；e是转矩偏差，sign(e)是符号函数，fal(e)是定义的预处理函数。
取
其中xc(1)表示e(k)的k时刻偏差；xc(2)表示e(k)；xc(3)表示e(k)偏差的偏差，即xc(1)在k时刻的偏差e(k)。
输入fal(e)的增量PID控制器为：
ud(k-1)是增量PID控制器输出ud(k)的前一时刻k-1时刻的值。△ud(k)是增量PID控制器的输出ud(k)k时刻的增量。
增量PID控制器的三个系数的调整采用梯度下降法，选取性能指标函数如下：
Td(k)为k时刻的给定参考转矩，Te(k)为k时刻实测的SRM瞬时输出转矩。
经偏差预处理后，在离散域中，k时刻的增量PID控制器的比例系数、积分系数及微分系数kp(k),kl(k)及kd(k)对应增量分别为△kp(k),Δkl(k)及Δkd(k)，具体计算式如下：
其中分别代表Δkp(k),Δkl(k)及Δkd(k)的学习率。
对应得到：
kp(k)＝kp(k-1)+Δkp(k)，ki(k)＝kl(k-1)+Δkl(k)，kd(k)＝kd(k-1)+Δkd(k)
神经网络辨识得：
其中，k时刻的控制量增量Δud(k)未知，由于采样时间短，故用k-1时刻的增量Δud(k-1)近似代替，由此带来的计算误差通过学习率的调整进行修正。
Ⅱ、磁链与电流分配控制
Ⅱ-1、磁链与电流分配函数的选择
本发明电流分配选择立方分配函数，电流分配函数的表达式如下：
其中，θ为转子位置角，θon为开通角，θov为换相重叠角，fl(θ)为电流分配函数；
根据磁链与转矩关系的特点，改进余弦分配函数作为磁链分配函数，表达式如下：
其中cos余弦函数，θ为转子位置角，θon为开通角，θov为换相重叠角，为磁链分配函数。
在换相区，通过分配函数对控制量进行分配，得到三相参考控制量。以A、B两相为例，当A相为关断相，B相为导通相时，三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量的求解式如下：
Ⅱ-2瞬时转矩与磁链的计算
瞬时转矩计算的准确性决定整个系统的控制性能，SRM的强非线性使其难以用公式求得瞬时转矩，本发明采用由有限元数据分析构成的总电流与位置角对应的瞬时转矩表格，由当前时刻实测的总电流与当前位置角进行查表求得对应的当前瞬时转矩。
某一相的瞬时磁链与该相的相电压及绕组压降有关，以A相绕组的磁链参考控制值的计算为例，计算公式如下：
其中UA、iA、RA分别为SRM绕组中A相的电压、输出电流和阻值。
Ⅲ磁链与电流联合滞环控制
在导通区段，电流及磁链变化相对缓慢，为提高控制精度，在传统1和-1两种状态的滞环控制策略基础上，设计一个具有1、0和-1三种工作状态的滞环控制器。ΔI和分别表示电流偏差与磁链偏差。ΔImax、-ΔImax分别为电流滞环上下限，ΔImax范围0.001～0.1，范围0.001～0.1，分别为磁链滞环上下限，导通区滞环宽度为2M，M范围：ΔImax或
在关断区段，电流及磁链快速减小，有快速关断的特点，为提高效率，设计一个只有1和-1两种工作状态的滞环控制器，磁链滞环上下限与导通区段相同。
二维滞环控制器的开关状态的初值状态为0。依据单滞环控制逻辑，磁链与电流的二维滞环控制器的开关状态如下：
Ⅲ-1、导通区
Ⅲ-11、当电流偏差ΔI及磁链偏差的变化率都大于0时，
若ΔI≤M+ΔImax且则开关状态为0；
若ΔI>M+ΔImax且Δφ>M+Δφmax，开关切换到状态为1；
Ⅲ-12、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I<-M+△Imax且则开关状态为0；
若△I≥-M+△Imax且则开关切换到状态为1；
Ⅲ-13、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I≤M-△Imax且则开关状态为-1；
若△I>M-△Imax且开关切换到状态为0；
Ⅲ-14、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I≥-M-△Imax且则开关状态为0；
若△I<-M-△Imax且则开关切换到状态为-1；
Ⅲ-15、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率出现一正一负时，开关状态为0；
Ⅲ-2、关断区：
Ⅲ-21、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I>△Imax且则开关切换到状态为1；
若△I<△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-22、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I>-△Imax且则开关状态为1；
若△I<-△Imax且则开关切换到状态为-1；
Ⅲ-23、当电流偏差△I的变化率大于0而磁链偏差的变化率小于0时，
若△I>△Imax且则开关状态为1；
若△I<△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-24、当电流偏差△I的变化率小于0而磁链偏差的变化率大于0时，
若△I>-△Imax且则开关状态为1；
若△I<-△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-25、当电流偏差△I的变化率及磁链偏差的变化率不满足Ⅲ-21～Ⅲ-24的条件时，开关状态保持原状态。
本发明磁链分配(FSF)与电流分配(CSF)联合控制，通过二维逻辑约束得到恒转矩下有效的开关量，实现输出电流收敛到参考电流的同时，输出磁链收敛到参考磁链，间接实现总转矩的控制，有效抑制SRM的转矩脉动。
本发明设计的一种磁链与电流联合控制开关磁阻电机转矩脉动的系统，包括信号处理器、功率驱动器、电流传感器、位置传感器及开关磁阻电机。
三个电流传感器和位置传感器安装于SRM，分别采集SRM的A、B和C相的三相瞬时电流值ia、ib和ic；位置传感器采集转子当前位置角θ；各传感器的信号线与信号处理器连接。
信号处理器含有延时模块、偏差预处理模块、电流增量PID控制模块、磁链增量PID控制模块、电流双权值神经网络模块、磁链双权值神经网络模块、电流分配模块、磁链分配模块、瞬时磁链计算模块、瞬时转矩查表计算模块及二维滞环控制器。
信号处理器接受电流传感器信号和位置传感器信号，经各模块运算，二维滞环控制器连接功率驱动器，功率驱动器的输出控制SRM运行。
信号处理器连接显示设施，实时显示本系统控制状态和SRM的控制结果。
信号处理器连接CAN(控制器局域网络Controller Area Network)接口，提供与外设通信接口。
与现有技术相比，本发明磁链与电流联合抑制开关磁阻电机的转矩脉动系统的优点为：1、磁链分配FSF与电流分配CSF配合二维滞环控制器，得到恒转矩下有效的开关量，实现输出电流收敛到参考电流的同时，输出磁链收敛到参考磁链，间接实现总转矩的有效控制；2、通过基于偏差预处理的对应的磁链、电流双权值神经网络与磁链、电流增量PID控制求得参考磁链与参考电流，在线辨识△id与Te、与Te的非线性关系，以转矩偏差最小为目标，有效地抑制SRM的转矩脉动。
附图说明
图1为本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法实施例流程图；
图2为本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法实施例步骤Ⅲ导通区滞环控制示意图；
图3为本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法实施例步骤Ⅲ关断区滞环控制示意图；
图4为本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法实施例步骤Ⅲ滞环开关状态的A相不对称半桥电路示意图；
图5为本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的系统实施例结构示意图。
具体实施方式
本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机的转矩脉动系统实施例，其流程图如图1所示，给定转矩Td与由测量电流I和位置角θ通过查表计算获得反馈转矩Te进行转矩偏差运算，得到的转矩偏差△T经引入fal函数对进行非线性预处理后作为电流增量PID控制和磁链增量PID控制输入信号；电流增量PID控制和磁链增量PID控制的参数涉及到的雅克比信息和雅克比信息分别由电流偏差△id(k-1)、Te及Te-1作为输入信号的电流双权值神经网络提供和电流偏差Te及Te-1作为输入信号作为输入的磁链双权值神经网络提供。
通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络的磁链增量PID控制得到参考磁链通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络的电流增量PID控制得到参考电流id(k)；通过电流分配函数和磁链分配函数分别得到三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量iA *、iB *、iC *。三相磁链参考控制量与对应的三相输出磁链的差为三相磁链偏差三相电流参考控制量iA *、iB *、iC *与对应的三相瞬时电流iA、iB、iC的差为三相电流偏差△iA、△iB、△iC。三相磁链偏差和三相电流偏差联合作为二维滞环控制器的输入，得到恒转矩下有效的滞环控制开关量，控制SRM运行。实现SRM输出电流收敛到参考电流，与此同时，SRM输出磁链收敛到参考磁链，间接实现总转矩的有效控制，有效抑制SRM转矩脉动。
本磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法实施例的具体步骤如下：
I、磁链双权值神经网络和电流双权值神经网络
I-1、基于双权值神经网络的电流与磁链控制
本例电流双权值神经网络与电流增量PID控制、磁链双权值神经网络与磁链增量PID控制结构一致。Tout为双权值神经网络的输出转矩，△ud(k)是k时刻ud(k)变量的增量，△ud(k-1)是△ud(k)的前一时刻值。fal(e)是对转矩偏差△T＝e预处理函数。
I-11、电流双权值神经网络
k时刻SRM的参考电流id(k)与其前一时刻k-1时刻SRM的参考电流id(k-1)的差为△id(k)，即id(k)＝id(k-1)+△id(k)。△id(k-1)为△id(k)前一时刻k-1时刻的值。
电流双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出Te、Te前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出Te-1以及k-1时刻参考电流的增量Δid(k-1)，其输出为Tout1。Tout1与Te的差值为电流双权值神经网络的监督学习信号。
通过电流双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整电流增量PID控制器的三个参数增量Δkp1(k),Δkl1(k)及Δkd1(k)，Δkp1(k),Δkl1(k)及Δkd1(k)是对应k时刻的三个参数kp1(k),kl1(k)及kd1(k)的增量，由此得到对应电流增量PID控制器的三个参数kp1(k),kl1(k)及kd1(k)。
I-12、磁链双权值神经网络
k时刻SRM的参考磁链与其前一时刻k-1时刻SRM的参考磁链的差为即 为前一时刻的值。
磁链双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出Te、Te前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出Te-1以及k-1时刻参考磁链的增量其输出为Tout2。Tout2与Te的差值为磁链双权值神经网络的监督学习信号。
通过磁链双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整磁链增量PID控制器的三个参数增量Δkp2(k),Δkl2及Δkd2(k)，由此得到对应k时刻的磁链增量PID控制器的三个参数kp2(k),kl2(k)及kd2(k)。
基于转矩偏差形成的增量PID控制的统一表达式如下所示：
u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (1)
Δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kle(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (2)
其中，e(k)为k时刻的转矩偏差ΔT，e(k-1)表示e(k)前一时刻的值；u(k)表示id(k)和u(k-1)表示u(k)前一时刻的值；Δu(k)表示△id(k)和kp(k)、kl(k)及kd(k)分别对应表示k时刻的参数kp1(k)、kl1(k)及kd1(k)和kp2(k)、kl2(k)及kd2(k)。
神经网络辨识输出的雅可比矩阵和统一用雅可比矩阵表示，用于在线调整PID控制器的参数。
改进后的双权值神经元函数如下：
其中，hj为隐含层输出函数，f(x)为激活函数，x是函数自变量。Tout为双权值神经网络输出转矩，wlj为方向权值，qlj为核心权值，vj为输出权值，blj为可调整的次幂，本例取参数a1＝0.1，取次幂m＝1。xl是隐含节点输入，l＝1,2,3，三个输入分别为：△ud(k-1)，转矩Te_1和转矩Te。
I-2增量PID控制器的参数自适应调整
对应离散域k时刻的转矩偏差ΔT＝e(k)进行预处理，得到转矩偏差预处理函数fal(e)，作为PID控制器的输入，具体计算公式如下：
其中，α为非线性因子，本例α＝取0.2；δ为线性区间长度，本例δ＝0.3；e是转矩偏差，sign(e)是符号函数。
取
其中xc(1)表示e(k)的k时刻偏差；xc(2)表示e(k)；xc(3)表示e(k)偏差的偏差，即xc(1)在k时刻的偏差e(k)。
输入fal(e)的增量PID控制器为：
ud(k-1)是增量PID控制器输出ud(k)的前一时刻k-1时刻的值。Δud(k)是增量PID控制器的输出ud(k)k时刻的增量。
增量PID控制器的三个系数的调整采用梯度下降法，选取性能指标函数如下：
Td(k)为k时刻的给定参考转矩，Te(k)为k时刻实测的SRM瞬时输出转矩。
经偏差预处理后，在离散域中，k时刻的增量PID控制器的比例系数、积分系数及微分系数kp(k),kl(k)及kd(k)对应增量分别为△kp(k),△kl(k)及△kd(k)，具体计算式如下：
其中分别代表△kp(k),△kl(k)及△kd(k)的学习率。本例取
对应得到：
kp(k)＝kp(k-1)+△kp(k)，ki(k)＝kl(k-1)+△kl(k)，kd(k)＝kd(k-1)+△kd(k)
神经网络辨识得：
其中，k时刻的控制量增量△ud(k)未知，由于采样时间短，用k-1时刻的增量△ud(k-1)近似代替，由此带来的计算误差通过学习率的调整进行修正。
Ⅱ、磁链与电流分配控制
Ⅱ-1、磁链与电流分配函数的选择
本发明电流分配选择立方分配函数，电流分配函数的表达式如下：
其中，θ为转子位置角，θon为开通角，θov为换相重叠角，fl(θ)为电流分配函数；
根据磁链与转矩关系的特点，改进余弦分配函数作为磁链分配函数，表达式如下：
其中cos余弦函数，θ为转子位置角，θon为开通角，θov为换相重叠角，为磁链分配函数。
在换相区，通过分配函数对控制量进行分配，得到三相参考控制量。以A、B两相为例，当A相为关断相，B相为导通相时，三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量的求解式如下：
Ⅱ-2、瞬时转矩与磁链的计算
本例采用由有限元数据分析构成的总电流与位置角对应的瞬时转矩表格，由当前时刻实测的总电流与当前位置角进行查表求得对应的当前瞬时转矩。
某一相的瞬时磁链与该相的相电压及绕组压降有关，以A相绕组的磁链参考控制值的计算为例，计算公式如下：
其中UA、iA、RA分别为SRM绕组中A相的电压、输出电流和阻值。
Ⅲ、磁链与电流联合滞环控制
图2中纵坐标为二维滞环控制器的开关状态值,横坐标为电流偏差△I或磁链偏差如图2所示，在导通区段，本例设计具有1、0和-1三种工作状态的滞环控制器。△I和分别表示电流偏差与磁链偏差。△Imax、-△Imax分别为电流滞环上下限，本例取△Imax＝0.05，分别为磁链滞环上下限，本例取导通区滞环宽度为2M，M取0.006。
图3中纵坐标为二维滞环控制器的开关状态值,横坐标为电流偏差△I或磁链偏差如图3所示，在关断区段，本例设计只有1和-1两种工作状态的滞环控制器，磁链滞环上下限与导通区段相同。
二维滞环控制器的开关状态的初值状态为0。依据单滞环控制逻辑，磁链与电流的二维滞环控制器的开关状态如下：
Ⅲ-1、导通区
Ⅲ-11、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I≤M+△Imax且则开关状态为0；
若△I>M+△Imax且△φ>M+△φmax，开关切换到状态为1；
Ⅲ-12、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I<-M+△Imax且则开关切换到状态为0；
若△I≥-M+△Imax且则开关状态为1；
Ⅲ-13、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I≤M-△Imax且则开关状态为-1；
若△I>M-△Imax且开关切换到状态为0；
Ⅲ-14、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I≥-M-△Imax且则开关状态为0；
若△I<-M-△Imax且则开关切换到状态为-1；
Ⅲ-15、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率出现一正一负时，开关状态为0；
Ⅲ-2关断区：
Ⅲ-21、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I>△Imax且则开关切换到状态为1；
若△I<△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-22、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若ΔI>-ΔImax且则开关状态为1；
若ΔI<-ΔImax且则开关切换到状态为-1；
Ⅲ-23、当电流偏差ΔI的变化率大于0而磁链偏差的变化率小于0时，
若△I>△Imax且则开关状态为1；
若△I<△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-24、当电流偏差△I的变化率小于0而磁链偏差的变化率大于0时，
若△I>-△Imax且则开关状态为1；
若△I<-△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-25、当电流偏差△I的变化率和磁链偏差的变化率不满足Ⅲ-21～Ⅲ-24的条件时，开关状态保持原状态。
如图4所示，以A相为例，电流和磁链的联合滞环控制使A相绕组相当于接入一个不对称半桥功率电路，S1与S2为功率开关管，D1和D2为二极管，A相绕组的一端连接S1的发射极和D2的正极，A相绕组的另一端连接S2的集电极和D1的负极，S1的集电极和D1的负极连接电源正极，S2的发射极和D2的正极连接电源的负极。滞环控制器状态1时相当于此电路S1与S2导通，A相绕组加正压；状态0时S1导通、S2关断，电流经S1与D1及A相绕组续流；状态-1时S1与S2关断，A相绕组线圈电流回流到电源。
本例磁链分配(FSF)与电流分配(CSF)联合控制，通过二维逻辑约束得到恒转矩下有效的开关量，实现输出电流收敛到参考电流的同时，输出磁链收敛到参考磁链，间接实现总转矩的控制，有效抑制SRM的转矩脉动。
磁链与电流联合控制开关磁阻电机转矩脉动的系统实施例
本磁链与电流联合控制开关磁阻电机转矩脉动的系统实施例的整体结构如图5所示，图5中，Td为给定参考转矩，Te为k时刻的瞬时输出转矩，△T为转矩偏差，△T＝e，e表示转矩偏差，Te_1为Te前一时刻的输出转矩，fal(e)为转矩偏差预处理函数，Tout1为电流双权值神经网络的输出转矩，Tout2为磁链双权值神经网络的输出转矩，分别为电流双权值神经网络和磁链双权值神经网络对应的雅可比矩阵。id(k)为k时刻参考电流，△id(k-1)为k时刻△id(k)的前一时刻参考电流增量；为k时刻参考磁链，为k时刻的前一时刻参考磁链增量；iA *、iB *、iC *分别为A、B、C相参考电流控制量，分别为A、B、C相参考磁链控制量，iA、iB、iC分别为A、B、C相瞬时电流，分别为A、B、C相输出磁链，△iA、△iB、△iC分别为A、B、C相电流偏差，分别为A、B、C相磁链偏差，θ为转子位置角，U＝[UA,UB,UC]为SRM的A、B、C三相绕组的电压。
电流传感器和位置传感器安装于SRM，分别采集SRM的A、B和C相的三相瞬时电流值ia、ib和ic以及转子当前位置角θ；各传感器的信号线与信号处理器连接。
信号处理器含有偏差预处理模块、延时模块、电流增量PID控制模块、磁链增量PID控制模块、电流双权值神经网络模块、磁链双权值神经网络模块、电流分配模块、磁链分配模块、瞬时磁链计算模块、瞬时转矩查表计算模块、及二维滞环控制器。
信号处理器接受电流传感器信号和位置传感器信号，经运算，电流增量PID控制模块和磁链增量PID模块分别输出的参考电流控制量id(k)和参考磁链控制量分别作为电流分配模块和磁链分配模块的输入信号。电流分配模块输出的三相参考电流分别与电流传感器得到SRM三相电流输出iA、iB、iC进行偏差运算，得到电流偏差△iA、△iB、△iC；磁链分配模块输出的三相参考磁链分别与三相磁链进行偏差运算，得到三相磁链偏差本例瞬时磁链计算模块根据输入电压U和SRM三相瞬时电流iA、iB、iC计算得到三相磁链瞬时转矩查表计算模块根据SRM三相瞬时电流iA、iB、iC和转子位置角θ查表得瞬时转矩Te。电流偏差△iA、△iB、△iC和磁链偏差一起作为二维滞环控制器的输入，二维滞环控制器对应的输出作为功率驱动器输入，功率驱动器控制SRM运行。
本例信号处理器连接显示设施，实时显示本系统控制状态和SRM的控制结果。
本例信号处理器连接CAN接口，提供与外设通信的接口。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，通过基于偏差预处理的磁链双权值神经网络的磁链增量比例积分微分控制得到参考磁链通过基于偏差预处理的电流双权值神经网络的电流增量比例积分微分控制得到参考电流id(k)；通过电流分配函数和磁链分配函数分别得到三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量；三相磁链参考控制量与对应的三相输出磁链的差为三相磁链偏差；三相电流参考控制量与对应的三相瞬时电流的差为三相电流偏差；三相磁链偏差和三相电流偏差联合作为二维滞环控制器的输入，得到恒转矩下有效的滞环控制开关量，控制开关磁阻电机运行；
本方法包括以下步骤：
I、磁链双权值神经网络和电流双权值神经网络
I-1、基于双权值神经网络的电流与磁链控制
在本控制方法中，电流双权值神经网络与电流增量PID控制、磁链双权值神经网络与磁链增量PID控制结构一致；Tout为双权值神经网络的输出转矩，△ud(k)是k时刻ud(k)变量的增量，△ud(k-1)是△ud(k)的前一时刻值；fal(e)是对转矩偏差△T＝e预处理函数；
I-11、电流双权值神经网络
k时刻SRM的参考电流id(k)与其前一时刻k-1时刻SRM的参考电流id(k-1)的差为△id(k)，即id(k)＝id(k-1)+△id(k)；△id(k-1)为△id(k)前一时刻k-1时刻的值；
电流双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出Te、Te前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出Te-1以及k-1时刻参考电流的增量△id(k-1)，其输出为Tout1；Tout1与Te的差值为电流双权值神经网络的监督学习信号；
通过电流双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整电流增量PID控制器的三个参数增量△kp1(k),△kl1(k)及△kd1(k)，△kp1(k),△kl1(k)及△kd1(k)是对应k时刻的三个参数kp1(k),kl1(k)及kd1(k)的增量，由此得到对应电流增量PID控制器的三个参数kp1(k),kl1(k)及kd1(k)；
I-12、磁链双权值神经网络
k时刻SRM的参考磁链与其前一时刻k-1时刻SRM的参考磁链的差为即 为前一时刻的值；
磁链双权值神经网络的输入为k时刻SRM的瞬时转矩输出Te、Te前一时刻k-1时刻SRM的瞬时转矩输出Te-1以及k-1时刻参考磁链的增量其输出为Tout2；Tout2与Te的差值为磁链双权值神经网络的监督学习信号；
通过磁链双权值神经网络对应的雅克比矩阵调整磁链增量PID控制器的三个参数增量△kp2(k),△kl2及△kd2(k)，由此得到对应k时刻的磁链增量PID控制器的三个参数kp2(k),kl2(k)及kd2(k)；
基于转矩偏差形成的增量PID控制的统一表达式如下所示：
u(k)＝u(k-1)+△u(k) (1)
△u(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kle(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (2)
其中，e(k)为k时刻的转矩偏差△T，e(k-1)表示e(k)前一时刻的值；u(k)表示id(k)和u(k-1)表示u(k)前一时刻的值；△u(k)表示△id(k)和kp(k)、kl(k)及kd(k)分别对应表示k时刻的参数kp1(k)、kl1(k)及kd1(k)和kp2(k)、kl2(k)及kd2(k)；
神经网络辨识输出的雅可比矩阵和统一用雅可比矩阵表示，用于在线调整PID控制器的参数；
改进后的双权值神经元函数如下：
其中，hj为隐含层输出函数，f(x)为激活函数，x是函数自变量；Tout为双权值神经网络输出转矩，wlj为方向权值，qlj为核心权值，vj为输出权值，blj为可调整的次幂，a1范围0～1，次幂m范围1,2,3；xl是隐含节点输入，l＝1,2,3，三个输入分别为：△ud(k-1)，转矩Te-1和转矩Te；
I-2、增量PID控制器的参数自适应调整
对应离散域k时刻的转矩偏差△T＝e(k)进行预处理，得到本发明定义的转矩偏差预处理函数fal(e)，作为PID控制器的输入，其具体计算公式如下：
其中，α为非线性因子，δ为线性区间长度，e是转矩偏差，sign(e)是符号函数；
取
其中xc(1)表示e(k)的k时刻偏差；xc(2)表示e(k)；xc(3)表示e(k)偏差的偏差，即xc(1)在k时刻的偏差e(k)；
输入fal(e)的增量PID控制器为：
ud(k-1)是增量PID控制器输出ud(k)的前一时刻k-1时刻的值；△ud(k)是增量PID控制器的输出ud(k)k时刻的增量；
增量PID控制器的三个系数的调整采用梯度下降法，选取性能指标函数如下：
Td(k)为k时刻的给定参考转矩，Te(k)为k时刻实测的SRM瞬时输出转矩；
经偏差预处理后，在离散域中，k时刻的增量PID控制器的比例系数、积分系数及微分系数kp(k),kl(k)及kd(k)对应增量分别为△kp(k),△kl(k)及△kd(k)，具体计算式如下：
其中分别代表△kp(k),△kl(k)及△kd(k)的学习率；
对应得到：
kp(k)＝kp(k-1)+△kp(k)，ki(k)＝kl(k-1)+△kl(k)，kd(k)＝kd(k-1)+△kd(k)，
神经网络辨识得：
其中，k时刻的控制量增量△ud(k)未知，由于采样时间短，故用k-1时刻的增量△ud(k-1)近似代替，由此带来的计算误差通过学习率的调整进行修正；
Ⅱ、磁链与电流分配控制
Ⅱ-1、磁链与电流分配函数的选择
本发明电流分配选择立方分配函数，电流分配函数的表达式如下：
其中，θ为转子位置角，θon为开通角，θov为换相重叠角，fl(θ)为电流分配函数；
根据磁链与转矩关系的特点，改进余弦分配函数作为磁链分配函数，表达式如下：
其中cos余弦函数，θ为转子位置角，θon为开通角，θov为换相重叠角，为磁链分配函数；
在换相区，通过分配函数对控制量进行分配，得到三相参考控制量；以A、B两相为例，当A相为关断相，B相为导通相时，三相磁链参考控制量及三相电流参考控制量的求解式如下：
Ⅱ-2、瞬时转矩与磁链的计算
本发明采用由有限元数据分析构成的总电流与位置角对应的瞬时转矩表格，由当前时刻实测的总电流与当前位置角进行查表求得对应的当前瞬时转矩；
某一相的瞬时磁链与该相的相电压及绕组压降有关，以A相绕组的磁链参考控制值的计算为例，计算公式如下：
其中UA、iA、RA分别为SRM绕组中A相的电压、瞬时电流和阻值；
Ⅲ、磁链与电流联合滞环控制
在导通区段，设计一个具有1、0和-1三种工作状态的滞环控制器；△I和分别表示电流偏差与磁链偏差；△Imax、-△Imax分别为电流滞环上下限，△Imax范围0.001～0.1，范围0.001～0.1，分别为磁链滞环上下限；导通区滞环宽度为2M，M为△Imax或者为
在关断区段，设计一个只有1和-1两种工作状态的滞环控制器，磁链滞环上下限与导通区段相同；
二维滞环控制器的开关状态的初值状态为0；依据单滞环控制逻辑控制磁链与电流的二维滞环控制器的开关状态；
本方法磁链分配与电流分配联合控制，通过二维逻辑约束得到恒转矩下有效的开关量，控制开关磁阻电机运行；
所述步骤Ⅲ磁链与电流联合滞环控制中，依据单滞环控制逻辑控制磁链与电流的二维滞环控制器的开关状态如下：
Ⅲ-1、导通区
Ⅲ-11、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I≤M+△Imax且则开关状态为0；
若△I>M+△Imax且△φ>M+△φmax，开关切换到状态为1；
Ⅲ-12、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I<-M+△Imax且则开关状态为0；
若△I≥-M+△Imax且则开关切换到状态为1；
Ⅲ-13、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I≤M-△Imax且则开关切换到状态为-1；
若△I>M-△Imax且开关状态为0；
Ⅲ-14、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I≥-M-△Imax且则开关状态为0；
若△I<-M-△Imax且则开关切换到状态为-1；
Ⅲ-15、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率出现一正一负时，
开关状态为0；
Ⅲ-2、关断区：
Ⅲ-21、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都大于0时，
若△I>△Imax且则开关切换到状态为1；
若△I<△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-22、当电流偏差△I及磁链偏差的变化率都小于0时，
若△I>-△Imax且则开关状态为1；
若△I<-△Imax且则开关切换到状态为-1；
Ⅲ-23、当电流偏差△I的变化率大于0而磁链偏差的变化率小于0时，
若△I>△Imax且则开关状态为1；
若△I<△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-24、当电流偏差△I的变化率小于0而磁链偏差的变化率大于0时，
若△I>-△Imax且则开关状态为1；
若△I<-△Imax且则开关状态为-1；
Ⅲ-25、当电流偏差△I的变化率及磁链偏差的变化率不满足Ⅲ-21～Ⅲ-24的条件时，开关状态保持原状态。
2.根据权利要求1所述的磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，其特征在于：
所述步骤I-2中增量PID控制器的参数非线性因子α取值范围0～1；线性区间长度δ取值范围0～1。
3.根据权利要求1所述的磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法，其特征在于：
所述步骤I-2中增量PID控制器的比例系数、积分系数及微分系数kp(k),kl(k)及kd(k)对应增量△kp(k),△kl(k)及△kd(k)的学习率的取值范围如下：0<ηkl<1,
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的方法设计的一种磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的系统，包括信号处理器、功率驱动器、电流传感器、位置传感器及开关磁阻电机；
三个电流传感器和位置传感器安装于开关磁阻电机，分别采集SRM的A、B和C相的三相瞬时电流值ia、ib和ic；位置传感器采集转子当前位置角θ；各传感器的信号线与信号处理器连接；其特征在于：
所述信号处理器含有偏差预处理模块、延时模块、电流增量PID控制模块、磁链增量PID控制模块、电流双权值神经网络模块、磁链双权值神经网络模块、电流分配模块、磁链分配模块、瞬时磁链计算模块、瞬时转矩查表计算模块及二维滞环控制器；
信号处理器接受电流传感器信号和位置传感器信号，经各模块运算，二维滞环控制器连接功率驱动器，功率驱动器的输出控制SRM运行。
5.根据权利要求4所述的磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的系统，其特征在于：
所述信号处理器连接显示设施。
6.根据权利要求4所述的磁链与电流联合抑制开关磁阻电机转矩脉动的系统，其特征在于：
所述信号处理器连接CAN接口。
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