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永磁直流无刷电机设计混合型专家系统的研究

时间:2017/8/8 14:00:00   来源:本网   添加人:admin

  永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子技术的发展和新型永磁材料的出现而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机,它具有单位体积转矩高、转矩惯性比小起动转矩高调速特性好等优点,因而在航空航天数控机床、机器人、计算机外围设备及家用电器等许多方面都获得了广泛的应用与传统的电机相比,永磁无刷直流电机的设计灵活性较大,设计难度高主要体现在:(1)由于永磁体的存在,磁路构成比较复杂,传统的基于磁路的分析方法难以准确计算永磁无刷直流电机的磁场分布,而需要借助于有限元法进行电机磁场的分柝无刷直流电机设计的灵活性较大,对于某一给定额定值和技术要求,方案的选择空间较大,电机的极数、相数、绕组型式和其主要尺寸的数值都可以不一样,几种方案都可以满足要求,这就需要详细分析比较,进行优选,作最后取舍(3)永磁无刷直流电机的控制器与电机本体关系密切,需要进行机电一体化设计,这方面的设计理论和方法有待完善,设计经验的积累相对较少。

  本文提出将人工神经网络应用于永磁直流无刷电机的电磁设计过程,通过神经网络在电机几何设计变量与电机等效电路参数之间建立耦合关系,可以建立电机较准确的数学模型,提高永磁无刷直流电机的设计分析精度。在此基础上,将人工智能专家系统技术引入永磁无刷直流电机电机设计领域,建立永磁无刷直流电机设计混合型专家系统,能够模拟设计专家的智能决策过程,提高永磁无刷直流电机设计的智能化水平。

  2基于人工神经网络的电机电路参数预测方法精确预测电机的性能与运行特性一直是电机设计者关注的主要问题,对于永磁无刷直流电机尤为重要。长期以来,有限元法已成为永磁无刷直流电机设计与分析中应用最广、效果最佳的分析工具然而,有限元法对计算机资源要求较高、计算时间较长在电机设计过程中,有限元法可能要求反复应用于电机性能预测与设计调整过程当设计1台特殊的无刷直流电机,并算出其各个运行状态的特性,整个计算过程要求反复进行,计算时间尤其漫长因此,如果能够研究出一种既能具备有限元法的精度,其计算速度又快于有限元法的新型方法,对电机设计必定具有重要价值。

  近年,人工神经网络理论的研究受到了人们的极大关注,人工神经网络是一种基于大规模并行处理的非线性动力系统,由于其分布性存储信息、并行分布处理的特性,使之具有自组织、自学习和容错性等特点,已广泛用于许多工程问题中,电机设计领域亦是其应用之一,然而在上述的研究中,神经网络只是简单地提供了一个以电机性能为输入层,电机几何设计尺寸为输出层的影射关系考虑到输入输出变量之间存在着高度的耦合性和相互关联性,这使得数据模型的产生与网络的训练都较为复杂,且效率较低电路法是永磁直流电机设计过程中经常使用的一种有效分析方法,通过应用电路模型,并以此将电机导磁体材料、几何设计变量与电机性能参数建立联系,可以极大地改善这种耦合效应因此,本文将电路法、有限元法与神经网络相结合,提出了一个适用于永磁无刷直流电机性能计算的新模型,其结构如所示该模型以永磁无刷直流电机的几何设计变量材料参数为输入神经元,电机电路参数为输出神经元,以样机测试结果或有限元法计算结果为训练样本,通过一定的训练方法和训练过程实现从电机几何设计变量到电路参数的映射关系,并进而基于电路模型进行电机的性能计算和运行仿真由于输入输出神经元之间不存在耦合关系,使得神经网络训练的灵活性和效率都大大提高训练后的网络能够快速地计算给定几何尺寸电机的电路参数。由于训练样本是通过有限元法计算的,考虑了磁路的非线性和具体的尺寸及电枢反应问题,模型的精度也得到保证。与有限元法相比,使用神经网络计算电机电路参数在保持足够精度的前提下,大大减少了计算时间利用电机的电路参数,能够快速而方便地计算电机性能这种神经网络可以用于电机分析和优化设计领域3磁无刷直流电机设计混合型专家系统的总体设计永磁无刷直流电机设计混合型专家系统是在传统电机设计专家系统的基础之上引入人工神经网络方法而生成,它主要包括基于人工神经网络技术的电机性能计算模块和专家系统模块组成。前者用来精确计算电机的参数和性能,而后者在系统中的作用包括三个方面:(1)根据设计者输入设计要求,运用基于实例的推理机制,在样本数据库中选择相近的方案,经过初步调整生成初始设计方案,即模拟人类设计专家运用“类比”法确定设计方案的过程。

  根据系统发出的不同消息,调用知识库中不同的知识群,调整电机设计方案,即模拟人类设计专家运用设计经验与设计知识进行逻辑推理的调整过程。

  根据设计者要求的优化目标,帮助设计者选取合适的优化变量和优化目标,建立优化数学模型,实现优化设计的智能化知识库主要用来存储电机设计的有关知识,在永磁无刷电机设计混合型专家系统中,它包括以下几个方面的知识:(1)神经网络模块所需要的训练样本知i识(2)神经网络模块中的权值矩阵(3)基于事例推理所需的实例知i识(4)设计方案评价、调整过程中的经验知识在系统中,为便于知识库的管理,实现知识库与系统的总体框架如所示,整个系统采用基于紧耦合模型的结构,以黑板机制控制设计流程,模块之间通过内部数据结构传输信息,减少了模块之间的频繁数据通讯,使得系统运行速度和可靠性均得到提高。

  动1态数11据库推理机制的有效分离,对于不同的知识采取了不同的知识表示方式前三类知识采取数据库的形式存储。对于设计过程中所需的经验知识,则采用规则则一框架形式建立知识库即以产生式规则描述电机设计领域的各种叙述性知识,以框架结构表示电机设计的各种数据,将功能相同的规则体放在一起,以文体形式存储,在规则的管理上,则采用框架结构,将知识库名作为框架名,规则文件名作为槽值名。

  3.2推理机制推理系统是专家系统的推理策略实现机制,对于永磁无刷电机设计混合型专家系统,已知的是一组设计目标,据此进行推理、设计,是逆向推理;而在设计过程中,系统根据设计目标得到一初始方案,在此基础上,利用调整规则调整设计数据,则是由事实向目标的推理过程,属于正向推理,因此,系统的推理过程是一个正向推理和逆向推理相结合的混合推理过程。考虑到电机设计变量众多,搜索空间较大,为提高推理效率,推理机制采用“状态评估一推理”

  的模式,即首先判断当前设计状态,才调用相应的知识群,采取相应的推理机制系统中将设计状态分为:(1)方案生成阶段,此时采取基于事例的推理方式,通过调用对样本知识库进行模糊检索,寻找相近设计方案生成初始设计方案。(2)方案分析阶段,此时调用基于神经网络的电机性能计算模块。(3)方案评价阶段,应用模糊理论的有关知识对设计方案的主要性能指标和主要电磁参量值等采用偏差系数和识别系数进行模糊描述,对设计方案的状态进行综合评价。(4)方案调整阶段,根据评价结果,确定推理的方向、目标和需用到的知识,通过推理函数,调用相应知识,实现调整。

  采用“状态评估一推理”的模式实现专家系统的推理机制不仅能够提高推理效率,而且可使推理机制具有通用性。

  4永磁无刷直流电机设计混合型专家系统的设计实现4.1设计流程采用永磁无刷直流电机设计混合型专家系统进行永磁无刷直流电机电磁设计的设计流程如所示,系统以最佳电磁设计方案形成为主线,将人工神经网络和专家系统贯穿于设计的全过程,电磁设计4.2设计实例现以该系统设计1台50W永磁无刷直流电机,8极,三相6状态控制方式,定子外径60mm,铁心长度25mm,烧结钦铁砸永磁材料,结果如表1所示,其中测试值为江苏省微电机产品技术监测站测试结果表1无刷直流电机设计值与测试值比较项目设计值测试值电源电压/V额定转矩/Nm额定转速/(r/min)空载转速/(r/min)额定电流/A输入功率/W输出功率/W效率/(%)测试值中电压电流、功率和效率均指电机和控制器一体化的系统数据,设计值与测试值基本相符。

  5结语本文介绍了一个基于人工神经网络和专家系统下转第17页)了一种定子冲片有24槽的3对极的电动机,转子是鼠笼式的,额定电压为三相交流380V,功率120W,空载电流为0.09A,此电动机已应用在一种空调机中,效果较好。国内已有类似的2 3对极的变极电机,冲片也是24槽,3对极运行时的空载电流为0. 25A,虽然不能与它直接比较,但不妨用来作背景,以阐明其未来的应用前景用本文提供的嵌线技术制造电机,其生产过程比较顺利,有一定的应用价值本文的研究结果不仅拓宽了电机槽数的可选择范围,而且可能会有助于电机设计者学术思想的解放