基于基底神经节的电消隙控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于基底神经节的电消隙控制方法，基于Izhikevich尖峰神经元，构造基底神经节突触；基于漏积分神经元模型，构建基底神经节核团，包括纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核；利用基底神经节突触将基底神经节核团连接，构建基底神经节模型；将电机负载电流输入至基底神经节模型中，确定各通道电机偏置电压系数的重要性，选择重要性最大的电机偏置电压系数计算电机的偏置电压，完成电消隙控制。本发明专利技术以尖峰神经元模型为基础构建基底神经节突触，控制系统电消隙的偏置电压更加精确。

Control method of electric gap elimination based on basal ganglia

【技术实现步骤摘要】
基于基底神经节的电消隙控制方法
本专利技术涉及电机控制领域，特别是基于基底神经节的电消隙控制方法。
技术介绍
齿轮间隙是机械传递过程正常进行不可缺少的问题，齿轮间隙是影响系统的动态性能和稳态精度的重要因素。齿轮间隙消除有机械消隙和电消隙两种方法，机械消隙的控制动态性能滞后和稳态精度不高，所以在工业应用中多采用电消隙方法。传统电消隙方法对多电机伺服系统添加固定偏置力矩，但是固定偏置力矩容易发生偏置力过大和太小的现象，从而增大了系统的功耗，降低了多电机系统的输出功率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于基底神经节的电消隙控制方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于基底神经节的电消隙控制方法，包括以下步骤：步骤1、基于Izhikevich尖峰神经元，构造基底神经节突触；步骤2、基于漏积分神经元模型，构建基底神经节核团，包括纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核；步骤3、利用基底神经节突触将基底神经节核团连接，构建基底神经节模型。步骤4、将电机负载电流输入至基底神经节模型中，确定各通道电机偏置电压系数的重要性，选择重要性最大的电机偏置电压系数计算电机的偏置电压，完成电消隙控制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)以尖峰神经元模型为基础构建基底神经节突触，其联结强度更加符合电机运行的实际情况；2)结合基底神经节突触和基底神经元突触模型，系统电消隙的偏置电压更加精确。附图说明图1为本专利技术的基底神经节模型的示意图。图2为本专利技术的基底神经节流程图。图3为本专利技术的基底神经节通道输入偏置电压系数坐标图。具体实施方式结合图1，本专利技术的基底神经节双电机系统消隙控制方法，包括以下步骤：步骤1、基于Izhikevich尖峰神经元，构造基底神经节突触；Izhikevich尖峰神经元模型的数学模型表达式为：式中，v是Izhikevich尖峰神经元的膜电位，w是Izhikevich尖峰神经元的强度，a,b为模型两个恢复参数。在Izhikevich尖峰神经元模型的数学模型，加入电机负载电流激励，构造尖峰神经元突触数学模型表达式为：式中，Iin为神经元受到的外部电机负载电流激励。步骤2、基于漏积分神经元模型，构建基底神经节核团；漏积分神经元模型为：式中a为漏积分神经元的状态，u为漏积分神经元的输入，y为漏积分神经元的输出，k和m是比例系数，ε为漏积分神经元输出阈值，H为阶跃函数。假设基底神经节中有N个通道输，则需要构建N组相同的纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核，将每组五类核团利用漏积分神经元来表示，其数学模型表达式为：纹状体D1的数学模型为：式中，uiSD1、aiSD1、yiSD1分别是第i个纹状体D1的输入、状态和输出，εSD1为纹状体D1输出阀值，m、k是比例系数。纹状体D2的数学模型为：式中，uiSD2、aiSD2、yiSD2分别是第i个纹状体D2的输入、状态和输出，εSD2为纹状体D2输出阀值m、k是比例系数。苍白球外核的数学模型为：式中，uiGPe、aiGPe、yiGPe分别是第i个苍白球外核的输入、状态和输出，m、k是比例系数。苍白球内核的数学模型为：式中，uiGPi、aiGPi、yiGPi分别是第i个苍白球内核的输入、状态和输出，εGPi为苍白球内核的输出阀值。底丘脑核的数学模型为：式中，uiSTN、aiSTN、yiSTN分别是第i个苍白球外核的输入、状态和输出，m、k是比例系数。步骤3、利用基底神经节突触将基底神经节的大脑皮层纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核的核团连接，构建基底神经节模型。大脑皮层对第i个通道的电机偏置电压系数Si，有如下输出：yiC＝Si式中，i为通道的下标，yic即表示大脑皮层第i个通道的输出。将纹状体D1通过wCSD1与脑皮层第i个通道相连，纹状体D2通过wCSD2与大脑皮层第i个通道相连，苍白球外核通过wSD2GPe和wSTNGPe与纹状体D2和底丘脑核相连，底丘脑核通过wGPeSTN和wCSTN与苍白球外核和大脑皮层相连，苍白球内核通过wSD1GPe、wSTNGPi和wGPeGPi与纹状体D1核、底丘脑核和苍白球外核相连。在式中wCSD1、wCSD2、wSD2GPe、wSTNGPe、wGPeSTN、wCSTN、wSD1GPe、wSTNGPi和wGPeGPi都是由步骤1中的尖峰神经元突触强度w表示其连接权重。其中wCSD1、wCSD2、wSD2GPe、wSTNGPe和wCSTN表示为激励型，wGPeSTN、wSD1GPe、wSTNGPi和wGPeGPi表示抑制型。根据基底神经节的连接特征，可以得到每组纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核的输入分别为：式中，分别是纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核的输入。是大脑皮层、纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核的输出。其中苍白球内核输出的yiGPi是整个基底神经节模型的最终输出，它表征了第i通道的电机偏置电压系数的重要性，可用于后续电消隙控制。步骤4、根据多电机的电消隙原理，确定各通道的电机偏置电压系数，将电机负载电流输入至基底神经节模型中，确定各通道电机偏置电压系数的重要性，选择重要性最大的电机偏置电压系数计算电机的偏置电压，完成电消隙控制。图3展示了偏置电压系数的变化曲线，分为三种情况，分别对应的是电机过载、电机正常运行、电机欠载时的电机偏置电压系数，具体为：式中，iset(x)为第x电机的电流，y为大脑皮层的偏置电压系数输入，iabs为选取输入负载电流的最大值，表达式为：iabs＝max(|i1|,…,|in|)通道一输入的即为电机过载偏置电压系数，通道二输入的是电机正常运转的偏执电压系数，通道三输入的是电机欠载电压系数。将电机的负载电流Iin输入后，会形成一定强度的基底神经节突触，将基底神经节核团与基底神经节突触进行联结，得到基底神经节模型。将各通道的偏置电压系数，作为大脑皮层的输入Si，根据基底神经节的苍白球内核输出yiGPi，选取高重要性的通道作为最终电消隙偏置电压系数，确定用于电消隙的偏置电压表达式：Uout＝Ubias·y式中，Ubias为电机的额定功率，Uout为多电机的偏置电压。本专利技术通过电机的负载电流Iin确定基底神经节的模型参数，进而确定电机所处的状态，选择对应的偏置电压系数完成电消隙控制，保证了多电机同步工作的输出功率。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于基底神经节的电消隙控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、基于Izhikevich尖峰神经元，构造基底神经节突触；/n步骤2、基于漏积分神经元模型，构建基底神经节核团，包括纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核；/n步骤3、利用基底神经节突触将基底神经节核团连接，构建基底神经节模型；/n步骤4、将电机负载电流输入至基底神经节模型中，确定各通道电机偏置电压系数的重要性，选择重要性最大的电机偏置电压系数计算电机的偏置电压，完成电消隙控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于基底神经节的电消隙控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于Izhikevich尖峰神经元，构造基底神经节突触；
步骤2、基于漏积分神经元模型，构建基底神经节核团，包括纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核；
步骤3、利用基底神经节突触将基底神经节核团连接，构建基底神经节模型；
步骤4、将电机负载电流输入至基底神经节模型中，确定各通道电机偏置电压系数的重要性，选择重要性最大的电机偏置电压系数计算电机的偏置电压，完成电消隙控制。


2.根据权利要求1所述的基于基底神经节的电消隙控制方法，其特征在于，步骤1中，构造基底神经节突触的具体方法为：
Izhikevich尖峰神经元模型的数学模型表达式为：



式中，v是Izhikevich尖峰神经元的膜电位，w是Izhikevich尖峰神经元的强度，a,b为模型两个恢复参数；
在Izhikevich尖峰神经元模型的数学模型，加入电机负载电流激励，构造尖峰神经元突触数学模型表达式为：



式中，Iin为神经元受到的外部电机负载电流激励。


3.根据权利要求1所述的基于基底神经节的电消隙控制方法，其特征在于，步骤2中，构建基底神经节核团的具体方法为：
漏积分神经元模型为：



式中a为漏积分神经元的状态，u为漏积分神经元的输入，y为漏积分神经元的输出，k和m是比例系数，ε为漏积分神经元输出阈值，H为阶跃函数；
设基底神经节中有N个通道输，则需要构建N组相同的纹状体D1、纹状体D2、苍白球外核、苍白球内核和底丘脑核，将每组五类核团利用漏积分神经元来表示，其数学模型表达式为：
纹状体D1的数学模型为：



式中，uiSD1、aiSD1、yiSD1分别是第i个纹状体D1的输入、状态和输出，εSD1为纹状体D1输出阀值，m、k是比例系数；
纹状体D2的数学模型为：



式中，uiSD2、aiSD2、yiSD2分别是第i个纹状体D2的输入、状态和输出，εSD2为纹状体D2输出阀值m、k是比例系数；
苍白球外核的数学模型为：



式中，uiGPe、aiGPe、yiGPe分别是第i个苍白球外核的输入、状态和输出，m、k是比例系数；
苍白球内核的数学模型为：



式中，uiGPi、aiGPi、yiGPi分别是第i个苍白球内核的输入、状态和输...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴益飞，张通，郭健，陈庆伟，周唯，高俊宁，时锋，靳懿，吴红婷，吴鑫煜，刘洋，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32