1 引言
隨著半導(dǎo)體器件、計(jì)算機(jī)技術(shù)和變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)得到了日益廣泛的應(yīng)用。尤其是永磁同步電機(jī)，由于其具有氣隙磁密高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩/慣量比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在中小容量的伺服系統(tǒng)中已占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。一般永磁同步電機(jī)的速度、位置控制器都采用比例積分（pi）控制器，但是pi控制器容易受電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)等不確定性的影響。為克服pi控制器的不足，多種消除不確定性影響的控制策略已相繼提出，但這些策略都存在一定的不足，如消除的不確定性單一或?qū)崿F(xiàn)太復(fù)雜等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種新的控制策略已有了廣泛的應(yīng)用，在交流傳動(dòng)領(lǐng)域也有了一定的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器具有收斂速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、初始權(quán)值和結(jié)構(gòu)有規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的速度控制，取得了預(yù)期效果。

2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[1，2]
永磁同步電機(jī)在d-q軸下的理想電壓方程為：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

式中，ud和uq分別為d、q軸定子電壓；id和iq分別為d、q 軸定子電流；和分別為d、q軸定子磁鏈；ld和lq分別為定子繞組d、q軸電感；r為定子電阻；p為微分符號(hào)；lmd為定、轉(zhuǎn)子間的d軸電感；ifd為永磁體的等效d軸勵(lì)磁電流；pn為極對(duì)數(shù)；te為電磁轉(zhuǎn)矩；tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；b為阻尼系數(shù)；為轉(zhuǎn)子角速度。

3 無傳感器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)
如何得到精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)定向和速度控制呢?在傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)控制中,最常用的方法是在轉(zhuǎn)子軸上安裝傳感器（如編碼器、解算器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等），但是這些傳感器增加了系統(tǒng)的成本（某些高精度傳感器的價(jià)格甚至可與電機(jī)本身價(jià)格相比），降低了系統(tǒng)的可靠性，而且其應(yīng)用受到諸如溫度、濕度和震動(dòng)等因素的限制，致使這樣的系統(tǒng)不能廣泛適用于各種場(chǎng)合。為克服使用傳感器給系統(tǒng)帶來的缺憾，構(gòu)建了一種采用無傳感器的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。
電流控制器采用pi控制，電壓值為;

; （8）

引入控制算法，得、uq的電壓指令值為[5];

; （9）

速度控制器采用神經(jīng)元pid控制，轉(zhuǎn)矩電流指令值為神經(jīng)元的輸出。
無傳感器矢量控制系統(tǒng)中重要的就是轉(zhuǎn)速的估算及修正，由式（2）知

（10）

則速度的推算值為:

（11）

式中;（ ; ; ; ）或（ ）。其速度推算過程原理框圖如圖1所示。

圖1 速度推算過程原理框圖

如果=0,d軸定子磁鏈不變,而永磁同步電機(jī)中l(wèi)md和ifd為常數(shù),所以電磁轉(zhuǎn)矩te與成比例。由式(1)～(11)構(gòu)成永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 單神經(jīng)元pid控制
盡管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)有許多潛在的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)單純使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法的研究有待進(jìn)一步發(fā)展，通常需要將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的控制理論或智能控制技術(shù)綜合使用。盡管傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器因其技術(shù)成熟，在過程控制中得到了廣泛的使用，但對(duì)一些復(fù)雜、時(shí)變系統(tǒng)，因pid的參數(shù)不易于實(shí)時(shí)在線調(diào)整，所以應(yīng)用中會(huì)影響系統(tǒng)控制品質(zhì)。本文采用單神經(jīng)元pid控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制。單神經(jīng)元pid控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元pid控制結(jié)構(gòu)圖

由圖可得輸出量為：

（12）

已知增量式pid控制規(guī)律的差分方程為：

（13）

取神經(jīng)元輸入分別為： ， ， ，則網(wǎng)絡(luò)輸出為：

（14）

與pid增量式對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)權(quán)系數(shù) 、 、 分別對(duì)應(yīng)于ki、kp、kd，因此通過調(diào)整 、 、 可以實(shí)現(xiàn)pid參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。本系統(tǒng)中，神經(jīng)元pid控制器的輸入和輸出對(duì)應(yīng)物理量為 ， 。
在神經(jīng)元學(xué)習(xí)過程中，權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)規(guī)則為：
（15）

式中:ηi——比例、微分、積分學(xué)習(xí)速率。
為保證控制學(xué)習(xí)算法的收斂性和魯棒性，須對(duì)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行規(guī)范處理，具體實(shí)現(xiàn)步驟為:（16）

（17）

（18）

（19）

（20）

5 matlab 仿真結(jié)果
仿真電機(jī)參數(shù)為： ， ， ， ， ， ，p=1.1kw， 。利用matlab/simubbbb對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。神經(jīng)元自適應(yīng)pid學(xué)習(xí)算法的運(yùn)行效果與參數(shù) ηi、ηp、ηd有很大的關(guān)系，本文選取的參數(shù)分別為0.01、0.08、50。速度起動(dòng)特性曲線如圖4。

圖4 速度起動(dòng)特性曲線

圖5 電流變化曲線

圖6 速度實(shí)際值與推算值之差變化曲線

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖5、6、7分別為空載和負(fù)載突變時(shí)的電流、速度實(shí)際值與推算值之差以及電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。負(fù)載突變中，在他t=0.04s時(shí)負(fù)載由tl=3n·m突變到tl=6n·m。仿真結(jié)果表明，采用神經(jīng)元pid控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的矢量控制具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且由圖6可以看出在穩(wěn)態(tài)時(shí)，速度推算值與實(shí)際轉(zhuǎn)速非常接近，表明了速度推算模型的正確性。