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控制与算法 ★ 5.0

基于神经网络的电动机模拟器及其在功率硬件在环测试中采用的神经模糊控制器

A Neural-Network-Based Electric Machine Emulator Using Neuro-Fuzzy Controller for Power-Hardware-in-the-Loop Testing

作者 Hadi Mohajerani · Uday Deshpande · Narayan C. Kar
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年12月
技术分类 控制与算法
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 永磁同步电机 人工神经网络 神经模糊控制 电机仿真器 电力硬件在环测试
语言:

中文摘要

永磁同步电机(PMSM)的仿真对于电力电子和驱动变流器测试的发展至关重要,尤其是在功率硬件在环(PHIL)平台中。尽管已经取得了显著进展,并开发出了精确的电机模型,但由于增加了延迟,这些精确模型所占用的资源和内存量并不适合实时应用。因此,在开发既能准确高效地复现电机模型在各种运行条件下的动态行为,又能减少资源使用的模型方面存在研究空白。本文通过引入一种基于人工神经网络(ANN)的电机建模方法来填补这一空白,并将其与基于神经模糊的控制策略相结合,以确保系统具有鲁棒性和精确性,即最小化电机模拟器(EME)与实际永磁同步电机测试结果之间的误差。与传统的基于1000×1000查找表(LUT)的模型所需的4MB内存相比,人工神经网络模型仅需0.68KB内存。尽管基于查找表的模型浮点运算(FLOP)需求较低,但由于缓存限制和插值要求,会产生更大的延迟。通过将这种优化的人工神经网络模型与自适应模糊神经网络(ANFIS)控制器结合使用,所提出的系统能够提高功率硬件在环测试环境中电机模拟器的性能和精度。人工神经网络模型以高效的资源占用精确表征了永磁同步电机,而基于自适应模糊神经网络的控制器则动态调整其隶属函数,以适应不断变化的系统动态和负载条件,并提供合适的控制指令。

English Abstract

The emulation of permanent magnet synchronous machines (PMSMs) is critical for the advancement of power electronics and drive converter testing, particularly within power-hardware-in-the-loop (PHIL) platform. Despite significant progress, and developing accurate machine models, the amount of resources and memory used by these accurate models are not ideal for real-time applications due to added latency. Hence, a research gap exists in developing models that while accurately and efficiently replicate the dynamic behaviors of the machine model under various operating conditions, are light in resource usage. This paper addresses this gap by introducing an artificial neural network (ANN)-based machine modeling approach and combines it with a neuro-fuzzy-based control strategy to ensure robust and precise performance of the system, that is to minimize the error between the electric machine emulators (EME) and physical PMSM test results. The ANN model requires only 0.68 KB of memory compared to the 4 MB needed for traditional 1,000 × 1,000 LUT-based models, which incur greater latency due to cache limitations and interpolation demands despite lower floating-point operation (FLOP) requirements. By using this optimized ANN model with an adaptive ANFIS controller, the proposed system So, the main objective is to enhance the performance and accuracy of EMEs in PHIL testing environments. The ANN model provides a resource-efficient yet precise representation of the PMSM, while the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS)-based controller dynamically adjusts its membership functions to adapt to changing system dynamics and loading conditions and provide proper control command.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于神经网络的电机仿真技术对我们在光伏逆变器、储能系统及电动汽车驱动系统的测试验证环节具有重要应用价值。

该技术的核心突破在于将永磁同步电机(PMSM)模型的内存占用从传统查找表方案的4MB压缩至0.68KB,同时保持高精度动态响应。这对阳光电源的产品开发具有直接意义:在储能变流器和光伏逆变器的功率硬件在环(PHIL)测试中,我们需要模拟各类负载特性以验证系统在复杂工况下的稳定性。轻量化的神经网络模型能显著降低实时仿真平台的延迟,使我们能够在更短的开发周期内完成更全面的测试场景覆盖,特别是对于多机并联、微网协调等复杂应用场景的验证。

自适应神经模糊控制器(ANFIS)的引入进一步增强了系统对动态工况的适应能力,这与阳光电源产品面临的实际应用场景高度契合——无论是光伏发电的波动性、储能系统的充放电切换,还是电动汽车驱动的频繁变载,都需要控制系统具备快速自适应能力。

从技术成熟度评估,神经网络和模糊控制均为成熟技术,但其在实时嵌入式系统中的工程化应用仍需验证。主要挑战包括:训练数据集的代表性、模型在极端工况下的泛化能力,以及与现有测试平台的集成适配。建议阳光电源可将该技术优先应用于新产品的快速原型验证阶段,逐步积累工程经验,为建立更高效的数字孪生测试体系奠定基础,最终缩短产品上市周期并降低测试成本。