专利名称：无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器的构造方法
技术领域：
本发明涉及一种无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器，适用于无轴承无刷直 流电机的高性能控制，属于电力传动控制设备技术领域。
背景技术：
无刷直流电机结合了直流电机和交流电机的特点，具有调速性能好、起动容易、能 够载重起动、寿命长等优点，并且维护方便、噪声小、不存在因电刷而引起的一系列问题。无 轴承无刷直流电机利用磁场力作用实现电机转子的悬浮，既具备无刷直流电机的优点，又 具备磁轴承电机的无摩擦、无磨损、不需润滑和密封、高速度、高精度、寿命长的特点，具有 很大潜在的工程应用价值。现代工业应用中对电机控制系统性能的要求越来越高，为了改善电机的性能，不 仅要对电机本体结构进行研究，也要采用先进的控制策略对电机进行控制。对无轴承无刷 直流电机的研究主要集中于对电机本体、控制器硬件电路及无位置传感器等方面，对现代 控制策略应用方面的研究较少，而普通PID控制算法仅能在线性时不变的数学模型所描述 的控制系统中获得良好的性能。当系统中存在未知或变化的动态量时，这种控制方式就不 能取得很好的效果，特别是将无轴承技术应用到无刷直流电机当中时，整个系统将变为一 个复杂的非线性强耦合系统，当系统的参数时变过大时，系统甚至会不稳定，难以实现无轴 承无刷直流电机的正常工作。为了提高无轴承无刷直流电机控制系统的动态性能，可以采用微分几何或逆系 统控制方法，但这些方法要求被控系统的数学模型精确已知，必须求出反馈控制的解析表 达式，而且要求系统参数恒定或参数变化规律已知，而作为一个复杂的非线性被控对象，无 轴承无刷直流电机转子参数随工况的变化十分明显，加之存在一些不可预见的干扰和动态 影响，使微分几何方法与解析逆系统方法难以在实际中真正应用。国内现有的相关专利申请公开的有1)专利申请号为CN200510038099. 5，名称 为磁悬浮开关磁阻电动机径向神经网络逆解耦控制器及构造方法，针对的磁悬浮开关磁 阻电动机设计径向神经网络逆解耦控制器；2)专利申请号为CN200510040065. X，名称为 基于神经网络逆五自由度无轴承永磁同步电机控制系统及控制方法，针对的是五自由度无 轴承永磁同步电机设计控制方法。3)专利申请号为CN200610038711.3，名称为无轴承交 流异步电机神经网络逆解耦控制器及构造方法，针对的是无轴承交流异步电机设计神经网 络逆解耦控制器。而目前还未见任何有针对无轴承无刷直流电机设计神经网络逆解耦控制 器的文献公开；由于无轴承无刷直流电机结构的特殊性，必须分段推导其转矩系统及悬浮 系统数学模型，并且分段分析其可逆性，其对应的神经网络逆系统结构也与其它无轴承电 机不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器的构造方法，将神经网络α阶逆系统原理引入无轴承无刷直流电机，针对无轴承无刷直流电机构造 神经网络α阶逆控制器，既可使无轴承无刷直流电机具有优良的抗电机参数变化及抗负 载扰动能力，又能有效地提高无轴承无刷直流电机的各项控制性能指标。本发明的技术方案是依次采用如下步骤1)由两个PWM逆变器以及无轴承无刷直 流电机作为一个整体组成复合被控对象；2)建立复合被控对象的数学模型，采用静态神经 网络加6个积分器来构造复合被控对象的神经网络逆；3)调整并确定静态神经网络的各个 权系数，将神经网络逆置于复合被控对象之前串联组成伪线性系统，伪线性系统等效为两 个转子位置二阶积分线性子系统和一个速度二阶积分线性子系统；4)分别对两个转子位置 二阶积分线性子系统和一个速度二阶积分线性子系统设计两个位置控制器和一个速度控 制器，并由两个位置控制器和一个速度控制器来构成线性闭环控制器；5)将线性闭环控制 器、神经网络逆和两个PWM逆变器依次串接共同构成无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆 控制器。本发明的有益效果是1.无轴承无刷直流电机比磁轴承支承的电机具有更加合理，更加实用的结构，系统结 构紧凑，转子轴向长度大大缩短，电机转速、功率可以进一步得到提高，并可以实现高速及 超高速运行。2.通过构造神经网络逆，将无轴承无刷直流电机这一非线性强耦合时变系统的控 制转化为对两个转子位置二阶积分线性子系统和一个速度二阶积分线性子系统的控制，可 以方便的采用PID、极点配置、线性最优二次型调节器或鲁棒伺服调节器等方法设计线性闭 环控制器，使无轴承无刷直流电机获得良好的动静态性能以及抗负载扰动能力，有效地提 高无轴承无刷直流电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及参数鲁棒 性，很好地解决了无轴承无刷直流电机的高性能控制问题，实现无轴承无刷直流电机转子 径向位移、转速之间的独立控制，确保电机转子稳定悬浮和运行；极大地促进了无刷直流电 动机的实用化步伐，而且为其它无轴承电机控制系统，以及适合磁轴承支承的各种类型的 电机控制的非线性系统线性化和解耦控制提供了一条有效途径。3.采用静态神经网络加积分器来实现复合被控对象的逆系统，并构造神经网络α 阶逆控制器来实现对无轴承无刷直流电机的控制，神经网络α阶逆控制方法不依赖于被 控系统的精确数学模型，只需要很少的先验知识，因而适用于常规的非线性系统，能够很好 实现被控系统的解耦线性化。完全摆脱了传统的微分几何控制方法对数学模型的依赖性， 弥补了基于微分几何控制方法中对无轴承无刷直流电机的数学模型要求严格的缺陷，避免 了由于系统参数不稳定所导致的系统控制误差，能有效地减小电机参数变化与负载扰动对 无轴承无刷直流电机性能的影响，显著地提高了无轴承无刷直流电机的性能指标。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明
图1是由两个PWM逆变器2、3和无轴承无刷直流电机1组成的复合被控对象4 ； 图2是由静态神经网络5和6个积分环节构成的神经网络逆6的结构示意图； 图3是神经网络逆6与复合被控对象4构成的伪线性系统7的示意图及其等效图； 图4是由线性闭环控制器8与伪线性系统7组成的闭环控制系统结构图；图5是无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器9原理框图； 图中1.无轴承无刷直流电机；2、3.PWM逆变器；4.复合被控对象；5.静态神经网络； 6.神经网络逆；7.伪线性系统；8.线性闭环控制器；9.无轴承无刷直流电机神经网络α阶 逆控制器；81、82.位置控制器；83.速度控制器。
具体实施例方式参见图1-5，本发明首先将两个PWM逆变器2、3及无轴承无刷直流电机1作为一个 整体组成复合被控对象4，进而采用静态神经网络5加积分器来构造复合被控对象4的 神经网络逆6，并通过调整神经网络的权系数使神经网络逆6实现复合被控对象4的逆系 统功能，然后将神经网络逆6置于复合被控对象4之前，神经网络逆6与复合被控对象4组 成伪线性系统7，伪线性系统7等效为两个位置二阶积分型的伪线性子系统和一个速度二 阶积分型的伪线性子系统，在此基础上，分别针对三个积分子系统设计两个位置控制器81、 82和一个速度控制器83，并由上述两个位置控制器81、82和一个速度控制器83来构成线 性闭环控制器8，最后将线性闭环控制器8、神经网络逆6和两个PWM逆变器2、3共同构成 无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器9，实现无轴承无刷直流电机转子径向位移、 转速之间的独立控制，确保电机转子稳定悬浮和运行。根据无轴承无刷直流电机不同的控 制要求，可选择不同的硬件和软件来实现。本发明将神经网络α阶逆系统原理引入无轴承 无刷直流电机1，采用静态神经网络5和线性环节来构成神经网络逆6，并用神经网络逆6 逼近复合被控对象4的逆系统，神经网络α阶逆控制方法不依赖于被控系统的精确数学模 型，只需要很少的先验知识，能够很好实现被控系统的解耦线性化，并且可以大大提高系统 对参数变化和负载扰动的鲁棒性。具体步骤如下1.参见图1，形成复合被控对象4。由两个PWM逆变器2、3以及无轴承无 刷直流电机1作为一个整体组成复合被控对象4;复合被控对象4的期望输出为
权利要求
1.一种无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器的构造方法，其特征是依次采用 如下步骤1)由两个PWM逆变器(2、3)以及无轴承无刷直流电机(1)作为一个整体组成复合被控 对象(4)；2)建立复合被控对象(4)的数学模型，采用静态神经网络(5)加6个积分器来构造复 合被控对象(4)的神经网络逆(6)；3)调整并确定静态神经网络(5)的各个权系数，将神经网络逆(6)置于复合被控对象(4)之前串联组成伪线性系统(7)，伪线性系统(7)等效为两个转子位置二阶积分线性子系 统和一个速度二阶积分线性子系统；4)分别对两个转子位置二阶积分线性子系统和一个速度二阶积分线性子系统设计两 个位置控制器(81、82)和一个速度控制器(83)，并由两个位置控制器(81、82)和一个速度 控制器(83)来构成线性闭环控制器(8)；5)将线性闭环控制器(8)、神经网络逆(6)和两个PWM逆变器(2、3)依次串接共同构成 无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器(9)。
2.根据权利要求1所述的无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控 制器的构造方法，其特征是步骤2)中，将复合被控对象(4)的期望输出尸[办办为『=[ ^外的α阶导数
3.根据权利要求2所述的无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器的构造方法，其 特征是将
全文摘要
本发明公开了一种无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器的构造方法，先由两个PWM逆变器和无轴承无刷直流电机作为一个整体组成复合被控对象；采用静态神经网络加6个积分器来构造复合被控对象的神经网络逆；再将神经网络逆置于复合被控对象之前串联组成伪线性系统，然后设计两个位置控制器和一个速度控制器构成线性闭环控制器；最后将线性闭环控制器、神经网络逆和两个PWM逆变器依次串接共同构成无轴承无刷直流电机神经网络α阶逆控制器，实现无轴承无刷直流电机转子径向位移、转速之间的独立控制，确保电机转子稳定悬浮和运行，使无轴承无刷直流电机获得良好的动静态性能以及抗负载扰动能力。
文档编号H02P21/00GK102055390SQ20111000380
公开日2011年5月11日 申请日期2011年1月10日 优先权日2011年1月10日
发明者张婷婷, 朱熀秋, 潘伟 申请人:江苏大学