基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法，本发明专利技术首先通过表面式永磁同步电机模型预测控制算法中的输入量和输出量生成最优电压矢量序列，再通过最优电压矢量序列训练BP神经网络拓扑模型，采用训练后的BP神经网络替代表面式永磁同步电机模型预测算法，BP神经网络具有强大的非线性拟合和模式识别分类的能力，可以大大减少算法的运算时间和运算负担，提高系统的及时性，同时具有结构简单、精度较高、反应速度快等优点，而且神经网络分布式并行运算的特点使得大量运算成为可能，可以减轻系统计算负担，提高系统响应及时性，相对于传统的模型预测算法具有一定的创新优势，验证了智能算法在电机控制中的应用前景。

Model predictive control method of surface permanent magnet synchronous motor based on BP neural network

The invention discloses a surface permanent magnet synchronous motor model predictive control method based on BP neural network. Firstly, the invention generates the optimal voltage vector sequence through the input and output of the surface permanent magnet synchronous motor model predictive control algorithm, then trains the BP neural network topology model through the optimal voltage vector sequence, and uses the trained BP neural network to replace the representative surface permanent magnet BP neural network has a powerful ability of nonlinear fitting and pattern recognition classification. It can greatly reduce the operation time and burden of the algorithm, improve the timeliness of the system, and has the advantages of simple structure, high precision, fast response speed, etc. Moreover, the distributed parallel operation of neural network makes a large number of operations possible In order to reduce the burden of system calculation and improve the timeliness of system response, compared with the traditional model prediction algorithm, it has some innovative advantages, which verifies the application prospect of intelligent algorithm in motor control.

【技术实现步骤摘要】
基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法
本专利技术属于永磁同步电机直接转矩控制领域，具体涉及一种基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法。
技术介绍
直接转矩控制技术基于定子磁链坐标系并直接将转矩作为控制对象，避免了旋转坐标变换时的大量计算以及对电机参数的依赖性，其动态性能好，转矩响应时间短。但是传统DTC是一种离线式控制方法，将控制算法以及预先编制好的电压矢量LUT植入微处理器中，在每一控制周期循环执行。DTC根据电机控制系统当前的转矩误差和定子磁链误差从电压矢量LUT中选取最优电压矢量来消除转矩误差和定子磁链误差。但是传统DTC只能根据每一控制周期初始时刻的电机变量误差选取最优电压矢量，并不能预知在此电压矢量作用下电机变量的变化趋势，无法保证整个控制周期内转矩和定子磁链始终保持在一定的范围内，导致较大的转矩脉动和定子磁链脉动。同时，传统电压矢量LUT设计简单，控制精度较低，电机在特定运行状态下可有多个不同电压矢量供选择输出，根据查表法得到的电压矢量可能并不是最优的电压矢量。因此，可以研究电机的在线式控制方法，实时预测施加不同电压矢量时电机变量的变化，提前预知在某一电压矢量作用下电机转矩误差和定子磁链误差在整个控制周期内的变化，确保所施加电压矢量的有效性和准确性。模型预测控制(Modelpredictivecontrol,MPC)作为一种有效的在线式控制方法被广泛的应用于各种工业控制场合。有相关文献提出将MPC与DTC相结合，提出一种模型预测直接转矩控制，该方法对连续的非线性电机方程进行离散化得到电机预测模型，预测不同电压矢量作用下未来多个控制周期内电机转矩和定子磁链的变化，并根据目标函数对每一电压矢量的各步预测结果进行综合评估，最终确定一个最优电压矢量序列并只输出序列的首项。该方法的首要目标是降低逆变器开关频率，同时将电机转矩、定子磁链和逆变器中性点电压限制在一定范围内，以保证电机稳定运行。但是文献中提出的预测算法运算量较大，难以在实际应用中实施。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法，通过将离线训练好的BP神经网络嵌入到表面式永磁同步电机直接转矩控制系统中，替代模型预测算法完成未来控制周期内最优电压矢量的选择工作。为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：步骤一，确定表面式永磁同步电机模型预测控制算法中的输入量和输出量以及神经网络的输入量与输出量，并确定电机参考转速和负载转矩的变化范围；步骤二，按照恒定参考转速下负载转矩阶跃和恒定负载转矩下参考转速阶跃两种方式将不同参考转速下负载转矩变化的情况和不同负载转矩下参考转速变化的情况按照一定的步长和间隔遍历取到，并将相应产生的上述输入量的数据送入表面式永磁同步电机模型预测控制算法中，生成未来控制周期内模型预测控制算法选择的最优电压矢量序列，并且将各个输入量的取值与对应选择出来的最优电压矢量对应组合成BP神经网络的训练样本；步骤三，构建BP神经网络拓扑模型；步骤四，将步骤二中的训练样本数据进行归一化处理，将归一化处理后的训练样本输入已构建BP神经网络拓扑模型中进行训练学习；步骤五，将训练好的BP神经网络模型嵌入到表面式永磁同步电机模型预测直接转矩控制系统中替代模型预测控制算法进行未来控制周期内电机最优电压矢量选择的工作和功能。步骤一中，确定表面式永磁同步电机模型预测控制算法中的输入量和输出量以及神经网络输入量与输出量的具体方法如下：忽略转子旋转运动和定子电阻压降，施加非零电压矢量后，下一时刻定子磁链幅值和转矩如公式1.1所示：是当前K时刻定子磁链的幅值，是k+1时刻的定子磁链幅值，是当前要施加的电压矢量幅值，固定幅值，即将电压矢量设置为定幅值，其幅值恒等于其中Udc是直流母线电压；Δt是该电压矢量施加的作用时间，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角；下一时刻定子磁链转矩如公式1.2所示：Te(k+1)是k+1时刻的电机转矩，p是电机的极对数，ψf是永磁体磁链，是当前K时刻定子磁链的幅值，Ld为d轴定子电感，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角，δ(k)是当前K时刻的转矩角；所用成本函数如公式1.3所示：将公式1.1和公式1.2计算的结果送入成本函数，如果有n个备选电压矢量，则会得到n个成本函数数值，选择成本函数最小的数值所对应的电压矢量作为该计算控制周期内要施加给电机的最优电压矢量；表面式永磁同步电机模型预测控制算法的输入量分别有转矩角、当前定子磁链幅值、当前定子磁链角位置、参考磁链、参考转矩、备选电压矢量角度，输出量是选择的电压矢量。6个输入量中去掉其中的恒值，包括参考磁链和备选电压矢量角度，将特征维度精简到4，可以减少运算量，作为神经网络的输入量，选择的电压矢量作为神经网络的输出量。步骤二中，通过编程或者仿真实现按照一定的步长和间隔将相应取值范围内的上述两种变化情况遍历取到。步骤三中，BP神经网络拓扑模型为三层的前馈神经网络，根据隐含层节点经验公式确定隐含层节点数，其中a为0～10之间的常数，在此基础上进一步根据调试经验确定隐含层节点个数。输入层节点对应上述确定的4个输入量，输出层节点等于备选电压矢量的个数即7个基本电压矢量。BP神经网络拓扑模型的隐含层和输出层中的神经元的激活函数均采用tansig型的双曲正切传递函数，tansig函数的表达式为f(x)＝2/(1+exp(-2*x))-1。步骤四中，归一化处理采用默认方式，其处理方式如下所示：式中，xmin为数据系列中的最小数，xmax为序列中的最大数。ymin和ymax为指定的归一化范围。步骤四中，BP神经网络拓扑模型进行训练学习的具体方法如下：第一步，归一化处理后的训练样本每一维分别对应表面式永磁同步电机模型预测算法中的因变量即输入量，将输入与输出组合成训练样本序列(X,Y)，X是输入数据，Y是对应的输出数据；第二步，根据系统输入输出组合成的训练样本序列(X,Y)确定网络输入层节点数n、隐含层节点数l、输出层节点数m、输入层和隐含层神经元之间的连接权值ωij、隐含层和输出层神经元之间的连接权值ωjk、隐含层阈值a、输出层阈值b、给定学习速率和神经元激励函数；第三步，根据输入变量X，输入层和隐含层间连接权值ωij以及隐含层阈值a，计算隐含层输出H；式中，l为隐含层节点数，f为隐含层激励函数，所选函数为：f(x)＝2/(1+exp(-2*x))-1公式1.6第四步，根据隐含层输出H，连接权值ωjk和阈值b，计算BP神经网络预测输出O；第五步，根据网络预测输出O和期望输出Y，计算网络预测误差J；ek＝Yk-Okk＝1,2,…,m公式1.8第六步，由输出层开始，依据J，按照梯度下降法方向计算，并逐层调整权值阈值。取步长为η，可得神经元u到神经元v之间的连接权值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一，确定表面式永磁同步电机模型预测控制算法中的输入量和输出量，以及神经网络的输入量与输出量，并确定电机参考转速和负载转矩的变化范围；/n步骤二，按照恒定参考转速下负载转矩阶跃和恒定负载转矩下参考转速阶跃两种方式将不同参考转速下负载转矩变化的情况和不同负载转矩下参考转速变化的情况按照一定的步长和间隔遍历取到，并将相应产生的上述输入量的数据送入表面式永磁同步电机模型预测控制算法中，生成未来控制周期内模型预测控制算法选择的最优电压矢量序列，并且将各个输入量的取值与对应选择出来的最优电压矢量对应组合成BP神经网络的训练样本；/n步骤三，构建BP神经网络拓扑模型；/n步骤四，将步骤二中的训练样本数据进行归一化处理，将归一化处理后的训练样本输入已构建BP神经网络拓扑模型中进行训练学习；/n步骤五，将训练好的BP神经网络模型嵌入到表面式永磁同步电机模型预测直接转矩控制系统中替代模型预测控制算法进行未来控制周期内电机最优电压矢量选择的工作和功能。/n

【技术特征摘要】
1.基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，确定表面式永磁同步电机模型预测控制算法中的输入量和输出量，以及神经网络的输入量与输出量，并确定电机参考转速和负载转矩的变化范围；
步骤二，按照恒定参考转速下负载转矩阶跃和恒定负载转矩下参考转速阶跃两种方式将不同参考转速下负载转矩变化的情况和不同负载转矩下参考转速变化的情况按照一定的步长和间隔遍历取到，并将相应产生的上述输入量的数据送入表面式永磁同步电机模型预测控制算法中，生成未来控制周期内模型预测控制算法选择的最优电压矢量序列，并且将各个输入量的取值与对应选择出来的最优电压矢量对应组合成BP神经网络的训练样本；
步骤三，构建BP神经网络拓扑模型；
步骤四，将步骤二中的训练样本数据进行归一化处理，将归一化处理后的训练样本输入已构建BP神经网络拓扑模型中进行训练学习；
步骤五，将训练好的BP神经网络模型嵌入到表面式永磁同步电机模型预测直接转矩控制系统中替代模型预测控制算法进行未来控制周期内电机最优电压矢量选择的工作和功能。


2.根据权利要求1所述的基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，步骤一中，确定表面式永磁同步电机模型预测控制算法中的输入量和输出量以及神经网络输入量与输出量的具体方法如下：
忽略转子旋转运动和定子电阻压降，施加非零电压矢量后，下一时刻定子磁链幅值和转矩如公式1.1所示：




是当前K时刻定子磁链的幅值，是k+1时刻的定子磁链幅值，是当前要施加的电压矢量幅值，固定幅值，即将电压矢量设置为定幅值，其幅值恒等于其中Udc是直流母线电压；Δt是该电压矢量施加的作用时间，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角；
下一时刻定子磁链转矩如公式1.2所示：



Te(k+1)是k+1时刻的电机转矩，p是电机的极对数，ψf是永磁体磁链，是当前K时刻定子磁链的幅值，Ld为d轴定子电感，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角，δ(k)是当前K时刻的转矩角；
所用成本函数如公式1.3所示：



将公式1.1和公式1.2计算的结果送入成本函数，如果有n个备选电压矢量，则会得到n个成本函数数值，选择成本函数最小的数值所对应的电压矢量作为该计算控制周期内要施加给电机的最优电压矢量。


3.根据权利要求1或2所述的基于BP神经网络的表面式永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，表面式永磁同步电机模型预测控制算法的输入量分别有转矩角、当前定子磁链幅值、当前定子磁链角位置、参考磁链、参考转矩、备选电压矢量角度，输出量是选择的电压矢量；
从输入量中去掉恒值，对特征维度进行精简，作为神经网络的输入量，选择的电压矢量作为神经网络的输出量，恒值包括参考磁链和备选电压矢量角度。


4.根据权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀华，赵承辉，周逸凡，秦玉贵，秦辉，苏锦仕，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61