基于神經網絡的感應電動機直接轉矩控制研究

摘要：概述了感應電動機在直接轉矩控制(DTC)的控制規律。為提高感應電動機在DTC方式下的低速性能，在對感應電動機定子磁場定向控制進行了比較深入的分析后，提出了采用神經網絡來處理DTC復雜計算的控制策略。仿真和實驗結果表明，該方法能進一步改善感應電動機DTC的性能。
關鍵詞：電動機；變頻；直接轉矩控制；神經網絡控制

1 引言
DTC技術利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數學模型，計算并控制電動機的磁鏈和轉矩。采用離散的兩點式調節器(Bang-Bang控制)，將轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的容差范圍內，并產生PWM信號，直接對逆變器的開關狀態進行控制，這樣就獲得了高動態性能的轉矩輸出。其控制效果取決于轉矩的實際狀況，它無需將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動機的控制。由于省掉了矢量變換方式的坐標變換與解耦，從而簡化了異步電動機數學模型，沒有通常的PWM信號發生器，因此其控制結構簡單，控制信號處理的物理概念明確，系統的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜態、動態性能的交流調速控制方式。

2 系統結構及工作原理
基于神經網絡控制的DTC系統的基本結構如圖1所示。

系統由速度給定值與轉子反饋的速度信號形成誤差信號，經過神經網絡控制器的控制處理后獲得轉矩的給定值T*，轉矩調節器的輸入信號T*與轉矩反饋值T的信號差為ET。調節器的輸出信號是轉矩開關信號，磁鏈調節器采用施密特觸發器，容差±ε，通過磁鏈調節器的兩點式調節，將磁鏈波動限定在±ε內，達到控制磁鏈的目的。開關狀態選擇單元采用離散的三點式調節方式。根據轉矩調節器、定子磁鏈調節器的輸出及定子磁鏈的扇區位置來選擇合理的逆變器開關狀態，用以輸出合理的電壓空間矢量。系統以TMS320LF2407A型DSP為核心組成控制器，由整流器、電壓型逆變器構成主回路。整個系統按功率電路板、DSP控制板、電源、保護電路及信號檢測電路等進行模塊化設計。
在該系統中，設置的轉速調節器的輸出作為電磁轉矩的給定信號，用神經網絡控制器取代通常的PI調節器，設置轉矩控制內環。它可以抑制磁鏈變化對轉速子系統的影響，從而使轉速和磁鏈子系統實現了近似的解耦。
因為定子磁鏈可表示為兩相靜止坐標系下電流iα1，iβ1和電壓uα1，uβ1的非線性函數。電磁轉矩可轉換成兩相電流和磁鏈的非線性函數。感應電動機在定子坐標系下的方程為：