开关磁阻电动机非线性建模及其高性能系统研究

论文摘要

开关磁阻电动机（SRM）磁路存在着严重的饱和非线性,其电磁特性描述直接影响到电机的分析、设计与应用,测取SRM准确的磁链特性和转矩特性,是实现SRM准确建模和SRD系统高性能控制的重要依据。本文利用间接磁链测量原理,设计了基于DSP（数字信号处理器）的SRM特性检测装置,下位机由TMS320F240采集数据,通讯传输给上位机,上位机用VB程序接收数据,并在MATLAB环境下计算、分析、绘图,得到了SRM样机的磁链、电感、转矩特性。建立SRM的准确非线性模型是提高其调速系统性能的关键。在实测样机数据基础上,基于Levenberg-Marquardt算法的BP神经网络建立了SRM非线性模型。该网络模型训练收敛快、泛化能力强,且网络规模小,便于实时控制。通过比较几种SRM模型,显示出所建神经网络模型优越。并在MATLAB环境下,建立了SRD系统的整体动态仿真模型。为实现系统参数优化,控制策略研究,系统动、静态性能分析,创造了条件。将仿真计算结果与实验波形比较,验证了该动态模型的有效性。转矩脉动严重是SRM的突出问题,对此,设计了基于优化电流波形的瞬时转矩控制方案,建立了SRM神经网络转矩逆模型,通过优化电流波形,实现了减小转矩脉动控制。仿真结果证明,该控制方法有效地减小了转矩脉动。本文在研究了续流方式及开通角、关断角对系统效率影响的基础上,提出了既能减小转矩脉动又能优化效率的SRD高性能系统,仿真结果验证了该方案的有效性。SRD是一个多变量,强耦合的非线性系统,在不同的控制方式下,其参数和结构都是变化的。采用固定参数的PI调节器无法得到很理想的动态性能指标。本文将模糊控制引入SRD系统中,用以改善系统的动态性能。并在此基础上,针对常规模糊控制存在稳态误差问题,提出采用可变论域的模糊控制,在规则形式不变的前提下,论域随着误差变小而收缩,适合于SRD高精度控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 SRM 的结构、工作原理及特点
• 1.2.1 SRM 的结构、工作原理
• 1.2.2 SRM 特点
• 1.3 SRM 的基本方程
• 1.4 SRD 存在的问题与研究方向
• 1.4.1 SRM 模型的研究
• 1.4.2 减小转矩脉动的研究
• 1.4.3 SRD 系统多目标参数优化
• 1.4.4 功率变换器拓扑结构研究
• 1.4.5 SRM 无位置传感器技术的研究
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第二章 基于DSP 的开关磁阻电机特性检测
• 2.1 引言
• 2.2 测量原理及方法
• 2.2.1 测量原理
• 2.2.2 测量系统原理图
• 2.2.3 测试步骤
• 2.3 利用 DSP 实现下位机数据采集
• 2.3.1 主程序流程
• 2.3.2 定时器2 中断处理程序流程
• 2.3.3 DSP 的SCI 向上位机传送采集的数据
• 2.4 上位机接收、处理数据
• 2.5 实验结果
• 2.6 实验结果分析
• 2.6.1 磁化曲线
• 2.6.2 电感特性
• 2.6.3 矩角特性
• 2.7 本章小结
• 第三章 开关磁阻电动机模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 线性模型
• 3.3 准线性模型
• 3.4 非线性简化模型
• 3.5 基于 BP 神经网络的开关磁阻电动机非线性建模
• 3.5.1 采用Levenberg-Marquardt 算法改进BP 学习算法
• 3.5.2 基于BP 神经网络的SRM 磁链特性模型
• 3.5.3 基于BP 神经网络的SRM 转矩特性模型
• 3.6 SRM 几种模型比较
• 3.7 基于神经网络非线性模型的开关磁阻电机调速系统 MATLAB动态仿真模型
• 3.7.1 基于Simulink 的SRD 动态仿真模型
• 3.7.2 仿真结果与实验验证
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于BP 神经网络非线性模型的SRM 转矩脉动控制
• 4.1 引言
• 4.2 SRM 转矩脉动分析
• 4.2.1 转矩分析
• 4.2.2 转矩脉动频率
• 4.3 影响转矩脉动的因素
• 4.3.1 两种续流方式对转矩脉动的影响
• 4.3.1.1 能量回馈式斩波方式对转矩脉动的影响
• 4.3.1.2 能量非回馈式斩波方式对转矩脉动的影响
• 4.3.2 开通、关断角对转矩脉动的影响
• 4.3.3 斩波频率对转矩脉动的影响
• 4.4 基于BP 神经网络建立转矩逆模型
• 4.5 基于瞬时转矩控制实现减小转矩脉动
• 4.5.1 转矩分配函数的确定
• 4.5.2 SRM 瞬时转矩控制系统
• 4.5.3 仿真结果
• 4.6 本章小结
• 第五章SRD 高性能系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 续流方式对系统性能的影响
• 5.2.1 两种续流方式输出转矩的线性分析
• 5.2.2 基于非线性模型的两种续流方式研究
• 5.2.2.1 占空比相同时，两种续流方式对输出转矩的影响
• 5.2.2.2 两种续流方式对能量比率的影响
• 5.3 控制角度对系统性能的影响
• 5.3.1 输出转矩相同时，开通、关断角的不同组合对系统性能的影响
• 5.3.2 关断角对系统性能的影响
• 5.3.3 开通角对系统性能的影响
• 5.4 SRD 高性能系统研究
• 5.4.1 各相转矩相互间关系
• 5.4.2 换相策略
• cⁱ'>5.4.2.1 低速运行时，换相点θc 应为最高效率换相点θ_cⁱ
• 5.4.2.2 高速运行时，换相点前移
• 5.4.3 SRD 高性能控制系统
• 5.5 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 采用变论域模糊控制改善SRD 动态性能
• 6.1 引言
• 6.2 SRM 模糊控制系统
• 6.2.1 系统原理
• 6.2.2 精确量的模糊化
• 6.2.3 语言变量的选取及论域上的模糊子集
• 6.2.4 模糊控制器的控制规则
• 6.2.5 输出信息的模糊判决
• 6.2.6 量化因子、比例因子对系统性能的影响
• 6.2.7 仿真结果
• 6.3 采用可变论域的模糊控制改善 SRD 性能
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 论文总结
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 进一步的研究方向
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文和参加科研情况说明
• 致谢