本發(fā)明涉及電機(jī)控制，具體涉及一種直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法。

背景技術(shù)：

1、直流無刷電機(jī)控制涉及航空工程、自動(dòng)化控制以及先進(jìn)材料等多個(gè)領(lǐng)域。隨著低空經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，直流無刷電機(jī)作為電動(dòng)垂直起降飛行器的核心控制組件，其控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用顯得尤為重要。然而，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)苛性，直流無刷電機(jī)的控制技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)。

2、因?yàn)樗俣扰c推力之間的正比關(guān)系直接決定了直流電機(jī)的性能，因此為確保其高效運(yùn)行，轉(zhuǎn)子速度的穩(wěn)定與精確控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)的pid控制器因其原理簡單參數(shù)少而常被用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，然而當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化時(shí)(如負(fù)載變化、電機(jī)參數(shù)變化等)，pid控制器的性能可能會(huì)受到影響。這要求pid控制器具有一定的自適應(yīng)性或能夠在線調(diào)整參數(shù)，以應(yīng)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化。而直流無刷電機(jī)存在顯著的時(shí)變特性和強(qiáng)烈的非線性特性，pid控制器難以在其工作包線內(nèi)維持其優(yōu)越性能。

3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于在處理非線性化和不確定性復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)具有顯著優(yōu)勢已經(jīng)被公認(rèn)為是一種有效的非線性時(shí)變控制器設(shè)計(jì)方法，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理高度復(fù)雜和精細(xì)的控制系統(tǒng)通常需要大規(guī)模硬件資源來訓(xùn)練和優(yōu)化，而直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)需要快速且準(zhǔn)確響應(yīng)，因此，實(shí)際控制器的硬件計(jì)算資源成為限制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的一個(gè)重要因素。因此，對于直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，亟需尋找輕量化且適應(yīng)性強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，確保直流無刷電機(jī)在各種操作條件下都能快速穩(wěn)定運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了應(yīng)對直流無刷電機(jī)的非線性與時(shí)變特性，本技術(shù)實(shí)施例提供一種直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，以解決傳統(tǒng)pid控制中參數(shù)恒定無法自適應(yīng)調(diào)整，影響實(shí)際控制器響應(yīng)速度及轉(zhuǎn)速控制精度的問題。

2、本技術(shù)實(shí)施例提供以下技術(shù)方案：一種直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，包括如下步驟：

3、步驟s1：將直流無刷電機(jī)全速度范圍均勻劃分為多個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，在各轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)開展開環(huán)試驗(yàn)，得到全狀態(tài)下所述直流無刷電機(jī)的開環(huán)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

4、步驟s2：根據(jù)所述開環(huán)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于系統(tǒng)辨識方法建立各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)所述直流無刷電機(jī)輸入電壓占空比-輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速信號的二階傳遞函數(shù)模型；

5、步驟s3：基于所建立的二階傳遞函數(shù)模型，確定包括pid比例、積分和微分的參數(shù)值；根據(jù)所述參數(shù)值，在pid算法中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器，通過所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器，計(jì)算每個(gè)控制周期下施加到所述直流無刷電機(jī)的電壓占空比的理論輸出結(jié)果；

6、步驟s4：在所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的所述理論輸出結(jié)果中加入抗飽和限制，獲得所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的電壓占空比的實(shí)際輸出結(jié)果，將最終的實(shí)際輸出結(jié)果作為電壓占空比的增量，將所述實(shí)際輸出結(jié)果施加到所述直流無刷電機(jī)上，依據(jù)輸入電壓占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速有效控制。

7、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，步驟s1中，在各轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)開展開環(huán)試驗(yàn)，以所述直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為實(shí)際測量輸出，以電機(jī)電壓占空比作為輸入，得到全狀態(tài)下所述直流無刷電機(jī)的開環(huán)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

8、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述步驟s2中還包括，對所述開環(huán)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，基于預(yù)處理后的開環(huán)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)所述直流無刷電機(jī)輸入-輸出信號的二階傳遞函數(shù)模型；所建立的模型以電機(jī)電壓占空比數(shù)據(jù)作為輸入，以電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為輸出；其中，所述預(yù)處理包括歸一化處理和異常數(shù)據(jù)剔除。

9、所述歸一化方法為縮放歸一化、均值方差歸一化中的一種，所述異常數(shù)據(jù)具體包括包括超出電機(jī)速度包線范圍的數(shù)據(jù)以及速度反饋過程中漂移較大的速度數(shù)據(jù)值。

10、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述步驟s3中，對任一轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的所述二階傳遞函數(shù)模型采用增量式pid控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的數(shù)學(xué)模型，如下式：

11、

12、其中，δu(k)是所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器輸出的所述直流無刷電機(jī)的電壓占空比的理論輸出結(jié)果，e(k)是目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際測量轉(zhuǎn)速之間的誤差，kp，ki和kd分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，t為控制周期，k為控制時(shí)刻。

13、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述步驟s3中還包括：引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尺度參數(shù)m，以及分支參數(shù)p1，p2和p3，對所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的數(shù)學(xué)模型如下式：

14、δu(k)＝m(p1(k)x1(k)+p2(k)x2(k)+p3(k)x3(k))

15、x1＝δx2＝e(k)-e(k-1)

16、x2＝e(k)

17、其中，x3＝δx1＝e(k)-2e(k-1)+e(k-2)。

18、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述步驟s3中還包括：采用均方根誤差作為誤差評價(jià)指標(biāo)，即對于第k+1采樣時(shí)刻，其均方根誤差值為并采用最優(yōu)估計(jì)方法對所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的均方根誤差值進(jìn)行優(yōu)化。

19、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述最優(yōu)估計(jì)方法為包括梯度下降法、共軛梯度法、牛頓法和擬牛頓法中的任一種。

20、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述步驟s3中還包括：根據(jù)電機(jī)控制與二階傳遞函數(shù)模型，采用鏈?zhǔn)椒ù_定所述分支參數(shù)的變化率，即pi(k+1)＝pi(k)+υ′ie(k)xi(k)u(k)，其中υ′i＝υim，υi為分支參數(shù)的優(yōu)化速率。

21、根據(jù)本技術(shù)一種實(shí)施例，所述步驟s3中還包括：采用均值歸一化方法對所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的所述分支參數(shù)進(jìn)行處理，即

22、p1(k+1)＝p1(k)+υ′1e(k)u(k)x1(k)

23、p2(k+1)＝p2(k)+υ′2e(k)u(k)x2(k)

24、其中，p3(k+1)＝p3(k)+υ′3e(k)u(k)x3(k)，

25、其中υ′1,υ′2,υ′3分別是比例、積分、微分的優(yōu)化速率，從而得到無刷直流電機(jī)下一控制時(shí)刻電機(jī)占空比的理論增量(即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出)。

26、所述步驟s4中包括：根據(jù)δu(k)的變化來控制電機(jī)輸入電壓信號實(shí)際占空比變化實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，為保證無刷直流電機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行，不影響電機(jī)各機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械壽命，對控制器輸出的輸入電壓信號理論增量進(jìn)行抗飽和限制，控制器的輸出限制采用如下方法進(jìn)行：以此作為施加到無刷直流電機(jī)輸入電壓占空比的實(shí)際增量從而完成電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其中δupos和-δuneg是控制器輸出δu(k)的限制范圍，在實(shí)際中對應(yīng)無刷直流電機(jī)單個(gè)控制周期內(nèi)的最大加減速限制。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本說明書實(shí)施例采用的上述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到的有益效果至少包括：本發(fā)明實(shí)施例作為一種直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，與現(xiàn)有直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法相比，本發(fā)明利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)能力使控制器參數(shù)能夠在不同轉(zhuǎn)速工況下實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)調(diào)整，考慮到實(shí)際工業(yè)電子控制器實(shí)現(xiàn)成本與實(shí)際硬件資源有限，大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合傳統(tǒng)增量式pid來設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，使得直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有優(yōu)異的速度控制性能，由于使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對于不同控制對象具有良好的自適應(yīng)性與魯棒性。