基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

張航

【摘要】 本文在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差回傳算法基礎(chǔ)上提出了一種三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并和PID控制算法相融合，得出一種新的控制伺服交流電機(jī)的方法。整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制電路以數(shù)字信號(hào)處理器為核心，它可以完成永磁同步電機(jī)數(shù)字控制中的傳感器信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理， 實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定的電機(jī)矢量控制算法，產(chǎn)生控制交流伺服電機(jī)的PWM信號(hào)。在算法方面，利用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)PID的積分增益、微分增益和比例增益進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，大大提高了系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 伺服交流電機(jī)

目前市面上大部分電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)算法均是采用傳統(tǒng)的PID控制算法，利用PID算法來控制交流伺服電機(jī)的時(shí)候，遇到最棘手的問題就是如何整定PID的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)。PID算法在整個(gè)控制過程中其參數(shù)是保持不變的。而在實(shí)際運(yùn)用中，整個(gè)被控系統(tǒng)是無法提前預(yù)測(cè)的，而且被控對(duì)象的狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，從而固定的PID參數(shù)無法使系統(tǒng)達(dá)到最好的控制效果。雖然能夠達(dá)到較為可觀的控制精度，但遺憾的是在抗干擾方面和自適應(yīng)學(xué)習(xí)方面均有較大的缺陷?；趥鹘y(tǒng)的PID控制算法以無法滿足科研的需求。為了得到一種能夠?qū)?fù)雜外界環(huán)境快速適應(yīng)、智能化學(xué)習(xí)和較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力的調(diào)整臺(tái)，本文提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差回傳算法運(yùn)用到調(diào)整臺(tái)的控制算法之中，能夠有效的提高控制系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和加強(qiáng)其自主適應(yīng)外界擾動(dòng)的性能。

一、伺服電機(jī)控制系統(tǒng)組成

一維轉(zhuǎn)臺(tái)的永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、電源管理模塊、信號(hào)處理控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、通訊模塊和信號(hào)調(diào)理采集模塊等組成。其組成框圖如圖1所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用IGBT，通過改變IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷來控制電機(jī)的運(yùn)作。其中為了保護(hù)電機(jī)過載運(yùn)作和精確控制電機(jī)的力矩，利用電流檢測(cè)芯片搭載的電流檢測(cè)電路對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，其中還包括對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后輸入到主控芯片進(jìn)行反饋控制。

二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID矢量控制

整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制電路以數(shù)字信號(hào)處理器為核心，它可以完成永磁同步電機(jī)數(shù)字控制中的傳感器信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定的電機(jī)矢量控制算法，產(chǎn)生控制電力電子器件開關(guān)的 PWM 信號(hào)。

整個(gè)控制方案一共可分別為三個(gè)部分組成，最高一層控制模塊為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊，在其之下為PID比例積分微分控制模塊，最基層為SVPWM電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制模塊。而整個(gè)伺服反饋環(huán)又可分為三個(gè)反饋部分組成，分別為位置反饋環(huán)、速度反饋環(huán)和電流反饋環(huán)，其組成示意圖2如下所示。

位置環(huán)的作用是使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到的角度精確地達(dá)到預(yù)先設(shè)定的角度，根據(jù)軸角編碼器反饋的角度作為參考標(biāo)定量，速度環(huán)的作用是使轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度保持平穩(wěn)，其反饋量為編碼器測(cè)得的角度值相對(duì)于時(shí)間的微分，電流環(huán)的作用是電機(jī)繞組的電流準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的跟蹤電流指示信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。矢量控制的根本目的是簡化交流電機(jī)的控制方法，它利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和定向控制的方法將交流電機(jī)的控制變換為近似于直流電機(jī)的控制。采用id=0的矢量控制作為控制策略，通過采用id=0的控制方式，將轉(zhuǎn)子電流與永磁通解耦，如此轉(zhuǎn)矩和交流電流iq成比例關(guān)系，電流環(huán)可以通過控制iq直接控制轉(zhuǎn)矩。由電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制模塊輸出PWM控制交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的功率開關(guān)器件，而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的矢量控制。為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要對(duì)檢測(cè)到的三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，其中 Clark 變換是從三相坐標(biāo)系 ABC 到兩相靜止坐標(biāo)系 d‐q 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

矢量控制屬于最靠近電機(jī)的一個(gè)控制部分，SVPWM模塊的輸入為交軸在d軸的電流分量id和交軸在p軸的電流分量ip以及轉(zhuǎn)子位置θ，其輸出為PWM波。輸出的PWM波對(duì)交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路直接控制，從而控制電機(jī)的運(yùn)作。而SVPWM模塊的輸入量id和ip是由三相電流經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的，而三相電流是PID模塊給出的，即PID模塊的輸出量為加載到電機(jī)三個(gè)相線上的電流，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到交軸在d軸的電流分量id和交軸在p軸的電流分量ip，即PID模塊的輸出量為SVPWM的輸入量。而PID的輸入量為Ki（積分系數(shù)）、Kp（比例系數(shù)）和Kd（微分系數(shù)）。而PID這三個(gè)輸入?yún)?shù)是動(dòng)態(tài)的，依靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算而得。

對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差回傳算法的編程步驟和流程圖：

（1）首先對(duì)權(quán)值矩陣W和V賦給一個(gè)初值，這個(gè)初值來自于計(jì)算機(jī)給出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。p為樣本模式計(jì)算器，q為學(xué)習(xí)次數(shù)計(jì)數(shù)器，E為誤差值，η為學(xué)習(xí)率，Emin為誤差合格閾值，分別對(duì)這些參數(shù)賦予初值：p=1，q=1，E=0，η∈（0，1]，Emin>0。

（2）將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差回傳模型的樣本輸入到程序里，在這里樣本X p、d p賦值給向量X和d，計(jì)算出向量Y和向量O中的分量。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差回傳算法的樣本擁有不同計(jì)的誤差值

（5）查看學(xué)習(xí)情況，看學(xué)習(xí)結(jié)果是否合格，如果誤差值低于實(shí)現(xiàn)預(yù)定的閾值ERME

三、階躍響應(yīng)跟隨實(shí)驗(yàn)

3.1 電流環(huán)階躍響應(yīng)跟隨實(shí)驗(yàn)

將一個(gè)方波作用于電流環(huán)，利用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法自動(dòng)調(diào)節(jié)電流環(huán)的比例增益、積分增益和微分增益，獲得一個(gè)理想的方波波形輸出，實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤控制。結(jié)果如圖4所示。

綠線為理想方波波形，白線為輸出的實(shí)際方波波形圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，其單位為每秒?？v坐標(biāo)為電機(jī)電流值，單位是安培。不難看出，電流響應(yīng)速度較快，和理想方波基本吻合，其電流輸出誤差不超過0.1%，電流響應(yīng)時(shí)間不超過1ms，完全能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定使用的性能指標(biāo)要求。

3.2 電壓環(huán)階躍響應(yīng)跟隨實(shí)驗(yàn)

和電流環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，同樣將一個(gè)方波信號(hào)作用在速度環(huán)上，利用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法自動(dòng)調(diào)節(jié)速度環(huán)的比例增益、積分增益和微分增益，最終得到速度跟蹤波形圖，對(duì)比后的結(jié)果如圖5所示。

綠線為理想方波波形，白線為輸出的實(shí)際方波波形圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，其單位為每秒。縱坐標(biāo)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度值，單位是rpm。不難看出，速度響應(yīng)速度較快，和理想方波基本吻合，其速度輸出誤差不超過1%，速度響應(yīng)時(shí)間不超過0.01s，完全能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定使用的性能指標(biāo)要求。

四、結(jié)束語

本文研究了基于矢量控制法的交流伺服電機(jī)的控制原理，建立三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定的電機(jī)矢量控制算法，并通過算法對(duì)PID的積分增益、微分增益和比例增益進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。

最后，通過階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了速度環(huán)和電流環(huán)的跟隨性能，實(shí)驗(yàn)表明電流輸出誤差不超過0.1%，電流響應(yīng)時(shí)間不超過1ms；速度輸出誤差不超過1%，速度響應(yīng)時(shí)間不超過0.01s。，達(dá)到了期望的性能要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 唐任遠(yuǎn)，現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1997.

[2] 閻平凡，張長水，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模擬進(jìn)化計(jì)算CMI，清華大學(xué)山版社，2000.