1、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)速度控制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)速度控制Moleykutty GeorgeFaculty of Engineering and Technology, Multimedia UniversityMelaka Campus, 75450 Melaka, Malaysia摘要本文提出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓變化的速度控制。本文的新穎性在于SEDM速度控制中非線性自回歸移動(dòng)平均二級(jí)控制器的應(yīng)用，并討論了SEDM斬波電路的速度控制。此項(xiàng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能已與使用傳統(tǒng)控制器的傳統(tǒng)性能進(jìn)行了比較。整個(gè)系統(tǒng)也已使用MATLAB 7.0工具箱建模。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用NARMA-12控制器，PI和磁滯電流控制器都

2、可以被消除淘汰。關(guān)鍵詞：斬波電路；NARMA-L2； SEDM；速度控制1 介紹直流電機(jī)已被廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)應(yīng)用中，如電動(dòng)汽車，鋼材軋機(jī)，電動(dòng)起重機(jī)以及由于具備精確、廣泛、簡單且連續(xù)的控制特性的機(jī)械手。從傳統(tǒng)上來說，變阻式電樞控制方法已經(jīng)被廣泛用于低功率直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。然而，靜態(tài)功率轉(zhuǎn)換器的可控性，廉價(jià)性，高效率和高載流能力給電驅(qū)動(dòng)器的性能帶來了重大改變。通過使用 PID 控制器，所需的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速性能得以獲取并實(shí)現(xiàn)。由于PID控制器要求精確的數(shù)字模型，如果存在參數(shù)的變化，系統(tǒng)的性能將成為難題。近年來， NNC 已被有效引入，來提高非線性系統(tǒng)的性能。鑒于學(xué)習(xí)能力，大規(guī)模并行性，快速適應(yīng)性，

3、內(nèi)在逼近能力和高度兼容性，NNC 在系統(tǒng)辨識(shí)和控制上的應(yīng)用將成為可能。基于負(fù)載適應(yīng)性多輸入多輸出線性化技術(shù)的恒功率弱磁控制器已被提出，用于有效開發(fā)高速刻度的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。附帶一個(gè)能夠產(chǎn)生從零刻度到大于輸入交流電壓最大值的可控直流電壓的開關(guān)裝置可控直流電壓。單相一致的 PWM 的 AC-DC 降壓升壓轉(zhuǎn)換器已被用于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓控制，該轉(zhuǎn)換器附帶一個(gè)能夠產(chǎn)生從零刻度到大于輸入交流電壓最大值的可控直流電壓的開關(guān)裝置。為了提高仿真速度，基于對(duì)每個(gè) PWM 周期上的電壓和電流的平均值估計(jì)的一般模擬方法已被提出、分析和測試驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速特性的科學(xué)計(jì)算，該驅(qū)動(dòng)器配置了電流調(diào)節(jié)性的 PWM 逆變器

4、所產(chǎn)生的多相無刷直流電動(dòng)機(jī)。能夠預(yù)測包括機(jī)械和電子組件的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的開環(huán)控制系統(tǒng)已被成功設(shè)計(jì)并應(yīng)用于控制直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。使用傳統(tǒng)控制器的其他幾個(gè)速度控制技術(shù)已被引入。目前，基于控制器的高級(jí)人工智能促進(jìn)電力電子電源系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的擁有智能速度控制器的調(diào)速電路。在此文中， NARMA-L2 控制器被提出應(yīng)用于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的速度控制。此文的重點(diǎn)在于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)速度控制的 NARMAL2 控制器的應(yīng)用。本文還討論了使用斬波電路的 SEDM 速度控制。 SEDM 的速度控制技術(shù)詳載于本文的第二部分。第三部分的仿真結(jié)果表明了利用 NARMA-L2 控制器控制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度的成功

5、應(yīng)用。他勵(lì)直流電機(jī)速度控制技術(shù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度主要是通過區(qū)分持續(xù)轉(zhuǎn)矩區(qū)的電樞電壓，使其在零和額定轉(zhuǎn)速之間變動(dòng)。而在恒功率區(qū)，實(shí)地焊劑應(yīng)該被減少，以便獲得在額定速度以上的速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)含有慣量J、摩擦系數(shù)Dm和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL機(jī)械負(fù)載。該直流電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)規(guī)格如下：表1 直流電動(dòng)機(jī)規(guī)格表Shaft power5 hpRated voltage240 VArmature resistance0.6 Armature inductance0.012 HField resistance240 Field inductance120 HTotal inertia (J)1 kgm2Viscous fric

6、tion coefficient (B)0.02 NmsCoulomb friction torque (Tf)0 Nma）基于MATLAB/SimPowerSystems對(duì)SEDM的建模和控制：圖1顯示的是電樞控制采用斬波電路他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制電路，圖2是MATLLAB/SimPowerSystems的模型顯示。它包括通過斬波電路由直流電源供電的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。單個(gè)晶閘管晶閘管，及其控制電路和一個(gè)續(xù)流二極管組成了斬波電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械負(fù)荷有慣量J、摩擦系數(shù)B、和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL?？刂齐娐酚伤俣瓤刂苹芈泛碗娏骺刂蒲h(huán)組成。PI控制速度控制回路能夠感應(yīng)電機(jī)的實(shí)際速度，并與基準(zhǔn)速度進(jìn)行比較，以

7、決定由電動(dòng)機(jī)要求的參考電樞電流。人們可能會(huì)注意到，實(shí)際速度的任何一個(gè)變化是對(duì)電動(dòng)機(jī)決定的電樞電流的測量。電流控制回路由一個(gè)滯環(huán)電流控制器(HCC)組成。圖3展示了滯環(huán)電流控制器的框圖。滯環(huán)電流控制器是用于斬波電路在電機(jī)的實(shí)際電流與額定電流的比較中產(chǎn)生切換效果。如果實(shí)際電流小于額定電樞電流，就產(chǎn)生出一個(gè)正脈沖；相反如果實(shí)際電流大于額定電樞電流，就產(chǎn)生出一個(gè)負(fù)脈沖。滯環(huán)電流控制是一種控制電源電子轉(zhuǎn)換器的方法，這樣，輸出電流便會(huì)遵循額定電流波形而產(chǎn)生。滯環(huán)電流控制器由閉環(huán)控制實(shí)施。勵(lì)磁電流與被感應(yīng)電流之間的差異能夠控制斬波電路的開關(guān)。當(dāng)誤差達(dá)到上限，即上遲滯限制時(shí)，GTO就被切換，使電樞電流被強(qiáng)制下

8、降。另一方面，當(dāng)誤差達(dá)到低滯后極限，正脈沖就產(chǎn)生了，電流也被增加。emin和 emax分別代表錯(cuò)誤信號(hào)的最小值和最大值。錯(cuò)誤的信號(hào)范圍，即emax-emin，直接控制輸出電流的紋波量，也被稱為滯后帶。因此，電樞電流是不能超出由上下遲滯限制決定的滯后帶范圍的。圖1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制電路圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)速度控制MATLAB/Sim Power Systems模型圖3 滯環(huán)電流控制器的框圖圖4 SEDM的速度控制電路仿真圖b)采用Simulink模型的SEDM的建模和控制：采用Simulink的SEDM的速度控制電路如4所示。圖4中，開關(guān)仿照GTO，該開關(guān)塊有三個(gè)輸入部分：其他兩個(gè)輸入的

9、中間輸入控件連接到輸出。如果控制輸入是1，240 V就被發(fā)送到輸出，另一方面，如果控制輸入是零，零將被發(fā)送到輸出。表2 各個(gè)物理量含義Vt電源電壓(V)Eb反電動(dòng)勢(V)Ra電樞電阻()La電樞電感(H)Rf場阻力()Lf場電感(H)If勵(lì)磁電流(A)Ia電樞電流(A)Wm轉(zhuǎn)速(rad/s)J電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2)Dm電機(jī)粘性摩擦(Nms)c) 使用NARMA-L2控制器的SEDM的速度控制NARMA-L2控制器：ANN的學(xué)習(xí)能力，自適應(yīng)性以及超高速計(jì)算功能使其在許多應(yīng)用中都能很好地適用于電能系統(tǒng)的控制，比如說電負(fù)荷預(yù)測，瞬態(tài)能力評(píng)估，積極電力濾波器（或是正電濾波器），動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和聯(lián)

10、合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。在學(xué)習(xí)過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整其結(jié)構(gòu)，這樣它就能遵循主管。學(xué)習(xí)被不斷反復(fù)，直到網(wǎng)絡(luò)輸出與主管之間的差異降低。i)系統(tǒng)辨識(shí)階段：NARMA-L2控制器，一個(gè)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，已成功地應(yīng)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的識(shí)別和控制。使用NARMA-L2控制器涉及系統(tǒng)識(shí)別和控制設(shè)計(jì)這兩個(gè)步驟。在系統(tǒng)識(shí)別階段，將被控制的植物餓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到了發(fā)展。圖5是系統(tǒng)識(shí)別階段的框圖展示。在控制設(shè)計(jì)階段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)植物模型用于訓(xùn)練NARMA-L2控制器。在系統(tǒng)識(shí)別階段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)植物模型必須在控制器使用之前得到提高。植物模型能夠預(yù)測未來的植物輸出，它只有一個(gè)隱藏層。表1列出了植物模型的說明。圖5 系統(tǒng)識(shí)別階段的框圖圖6 NA

11、RMA-L2控制器表3 植物模型的規(guī)格說明隱藏層的規(guī)格9采樣間隔 (s)6.254e-5輸入植物號(hào)推遲3工廠的產(chǎn)出推遲號(hào)2訓(xùn)練樣本40000最大輸入植物240最小輸入植物0最大間隔值 (s)1最小間隔值 (s)0.5最大輸出植物120最低廠輸出0訓(xùn)練次數(shù)100培訓(xùn)功能訓(xùn)練使用當(dāng)前的重量s選定使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)未選定使用測試數(shù)據(jù)未選定ii)控制器設(shè)計(jì)階段這種控制模型的中心觀點(diǎn)是通過取消非線性動(dòng)力學(xué)來改造非線性系統(tǒng)動(dòng)力。圖6是NARMA-L2控制器的框圖表示法。從NARMA-L2控制器獲得的范例性能圖和訓(xùn)練數(shù)據(jù)分別如圖7和圖8所示。i). NARMA-L2控制器的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的Simulink模型圖9

12、展示了NARMA-L2控制器的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的Simulink模型。使用PI控制器，以植物模型為基礎(chǔ)的Simulink用于產(chǎn)生所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)?？刂破鬏斎氲氖菂⒖妓俣群蛯?shí)際速度，輸出的是到達(dá)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。圖7 樣品NARMA-L2控制器的性能曲線 圖8 NARMA-L2 控制器訓(xùn)練數(shù)據(jù)圖9 NARMA-L2 控制他勵(lì)直流電機(jī)Simulink 模型a: wr = 100 rad/s & 120 rad/s; TL = 5 Nm & 17 Nm b. wr = 100 rad/s & 120 rad/s; TL = 20 Nmc. wr = 75 rad/s &1

13、20 rad/s; TL = 0 Nm & 1.5 × TL rated (Nm)圖10系統(tǒng)控制器不同使用的反應(yīng)2 結(jié)果和討論NARMA-L2控制器已成功被模擬和測試，來控制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度。MATLAB 7.0工具箱用于模型系統(tǒng)。這種經(jīng)過提高的系統(tǒng)的工作性能對(duì)比于其他兩個(gè)系統(tǒng)：一個(gè)是基于斬波控制直流電動(dòng)機(jī)模型的SimPowerSystems，另一個(gè)是使用Simulink模型的SimPowerSystems。在斬波控制電路中，PI控制器用來產(chǎn)生參考電流，HCC用來產(chǎn)生由斬波電路決定的開關(guān)模式。據(jù)發(fā)現(xiàn)，斬波器和其控制電路會(huì)因?yàn)槭褂昧薔ARMA- 12控制器而被淘汰。通過使用

14、不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和速度來審查該系統(tǒng)的有效性。圖10繪制了仿真結(jié)果，圖10另外也展示了額定轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使用SimPowerSystemss的模型（WAP），Simulink仿真模型（WS）的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速和利用NARMA-L2控制器（wasn）的額定轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩。通過對(duì)10a，10b，10c的數(shù)字進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)，假設(shè)有50過載容量被分配，NARMA- 12控制器可以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)高于額定條件的速度。3 總結(jié)通過使用MATLAB來控制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的速度，基于NARMA-12控制器的速度控制系統(tǒng)已被成功地開發(fā)。本文的新穎性在于使用NARMA- 12控制器控制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。本文還討論了使用SimPo

15、werSystems和Simulink模型對(duì)SEDM建模與控制，并通過使用不同類型的控制器對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較。我們發(fā)現(xiàn)，NARMA-12控制器可以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)高于額定值的速度。參考文獻(xiàn)1 Zuo Z. Liu, Fang L. Luo, and Muhammad H. Rasid, “High performance nonlinear MIMO field weakening controller of a separately excited DC motor,” Electric Power Systems Research, vol. 55, issue 3, Sep. 2000, pp

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