無刷直流電機(jī)反電勢(shì)的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)
方衛(wèi)中 賀益康（浙江大學(xué)杭州310027）
摘 要 提出了一種采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ann)預(yù)測(cè)永磁無刷直流電機(jī)反電勢(shì)的新方法，給出了用于反電勢(shì)預(yù)測(cè)的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)的樣機(jī)反電勢(shì)波形與實(shí)測(cè)反電勢(shì)比較結(jié)果表明．該方法是一種快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的反電勢(shì)預(yù)測(cè)方法，在無刷直流電機(jī)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析中有著廣闊的應(yīng)用前景，并對(duì)其它類型電機(jī)同類問題的解決具有一定的參考價(jià)值。
敘 詞 無刷直流電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)那樣良好的調(diào)速性能，但無機(jī)械換向裝置，因而電磁噪聲與干擾小，維護(hù)要求低，可靠性高，無需電勵(lì)磁，效率相對(duì)較高。近一二十年由于電力電子器件和新型永磁材料尤其是具有高性能低成本ndfeb材料的不斷成熟和先進(jìn)控制理論的迅速發(fā)展，使無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍大為拓寬，如變頻空調(diào)、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車等都已經(jīng)或?qū)⒁蔀槠渲匾膽?yīng)用領(lǐng)域。
方波形永磁無刷直流電機(jī)的原理圖如圖l所示。
電機(jī)的行為特性可用方程(1)、(2)、(3)描述。
瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為：
電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：
分別為電機(jī)各相相電壓和相電流，各相的反電勢(shì)。相電阻和相電感，電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和.分別為阻尼系數(shù)和電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
可以看出，除模型本身的正確性外，電機(jī)參數(shù)（電感、電阻、反電勢(shì)）是影響特性預(yù)測(cè)的重要因素。如果能夠在設(shè)計(jì)階段就能準(zhǔn)確預(yù)知電機(jī)的電阻、電感以及反電勢(shì)波形等參數(shù)，就可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電機(jī)在某種激勵(lì)下的動(dòng)、靜態(tài)特性，從而達(dá)到準(zhǔn)確設(shè)計(jì)的目標(biāo)，并可以針對(duì)某一特殊要求，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在以往采用路的形式對(duì)永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，常常假設(shè)電機(jī)反電勢(shì)為理想的正弦波或梯形波，也常采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方式對(duì)漏磁等多種效應(yīng)作粗略處理，雖在一定程度上反映該類電機(jī)的實(shí)際狀況，但由于永磁電機(jī)對(duì)永磁材料性能分散性的敏感、制造工藝的依賴、磁極形狀、充磁方式的差異以及電機(jī)齒槽效應(yīng)和磁路的非線性等諸多因素的影響，使得電機(jī)實(shí)際的反電勢(shì)波形與理想波形相差甚遠(yuǎn)[3]，這兢使永磁無刷直流電機(jī)算不準(zhǔn)。
要準(zhǔn)確計(jì)算永磁電機(jī)的氣隙反電勢(shì)等特征參數(shù)，一般采用電磁場(chǎng)理論和有限元方法。由于場(chǎng)的計(jì)算往往復(fù)雜，費(fèi)時(shí)，使得這種方法無法在電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的不斷迭代運(yùn)算中獲得有效的應(yīng)用。要解決計(jì)算的準(zhǔn)確性與計(jì)算量之間的矛盾，可以采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論。
人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的****特點(diǎn)是無需建立輸入、輸出之間的精確模型，只要從一組輸入、輸出參數(shù)（樣本）中，就可以學(xué)習(xí)、尋找出輸入輸出之間復(fù)雜的映射關(guān)系，這種映射關(guān)系一經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功，就成為其本身的內(nèi)稟特性，具有預(yù)測(cè)同類輸入時(shí)的輸出的能力。而且由于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的并行處理方式所具有的快速計(jì)算性能，使得用于類似文中的復(fù)雜問題計(jì)算中，既具有路的方法的快速性，又具有場(chǎng)的方法的準(zhǔn)確性，可以有效解決計(jì)算量和計(jì)算準(zhǔn)確性之間的矛盾[4]。本文主要討論應(yīng)用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)永磁無刷直流電機(jī)反電勢(shì)波形的問題，為電機(jī)性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供依據(jù)。
2人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其實(shí)現(xiàn)
2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
永磁無刷直流電機(jī)反電勢(shì)預(yù)測(cè)中采用的人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，這是一個(gè)前饋型網(wǎng)絡(luò)，采用三層結(jié)構(gòu)，即輸入層、隱含層和輸出層。圖中每一個(gè)圓圈代表一個(gè)神經(jīng)元。單個(gè)神經(jīng)元如圖3所示。圖中x=[x 1，x 2，…x n]為神經(jīng)元輸入量，u為輸入向量的加權(quán)和。為反映連接強(qiáng)度的權(quán)值，φ為神經(jīng)元偏置閥值。y為神經(jīng)元輸出值，它與鮮的關(guān)系稱為輸出數(shù)。常用的輸出函數(shù)有線性函數(shù)、sin函數(shù)、tan函數(shù) |
