CN107947674A - 一种开关磁阻电机多目标优化控制方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机多目标优化控制方法 Download PDF

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陈滋健
陈昊
颜爽
王星
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China University of Mining and Technology CUMT
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Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机多目标优化控制方法，包括：（1）确定输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标；（2）定义单目标优化的函数，确定励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速各自的范围，在其范围内分别计算输出功率、工作效率和转矩平滑系数的值；（3）改变开通关断角的组合，直到分别得到输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值；（4）将励磁参数优化模型的最大值利用到多目标函数中，并配以不同的权重系数，得到多目标优化函数最优值模型。本发明不仅可以在一定的转速范围内获得稳定的开通关断角组合，提高了开关磁阻电机输出功率、工作效率，同时也减小了开关磁阻电机的转矩脉动。

Description

一种开关磁阻电机多目标优化控制方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机控制的技术领域，具体涉及一种开关磁阻电机多目标优化控制方法。
背景技术
开关磁阻电机以其结构简单、转子无绕组、无永磁体、可靠性高等特点，在许多特定场合下得到成功运用。当在基速以下运行时，其励磁控制参数一般为开通角、关断角以及参考电流，这是的主要控制方式为电流斩波控制；当在基速以上运行时，开关磁阻电机工作在单脉冲方式下，主要通过开通角和关断角两个控制参数来控制电流，这时的控制方式为角度位置控制。传统的优化控制一般仅对一种励磁参数优化目标进行优化,采用单目标优化方法不能多方位地考虑开关磁阻电机的性能，分析不够全面，而且方法复杂，不易实际系统的实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机多目标优化控制方法，通过三个优化目标确立开关磁阻电机的最优运行状态，多方位地考虑了开关磁阻电机的性能，分析更加全面，同时该方法简单可靠，易于在实际系统实现。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括
一种开关磁阻电机多目标优化控制方法，包括以下步骤：
(1)根据开关磁阻电机系统输出功率、工作效率的要求及开关磁阻电机本体转矩脉动大的特性，确定输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标；
(2)分析励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速对输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的影响，定义单目标优化的函数，确定励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速各自的范围，在其范围内分别计算输出功率、工作效率和转矩平滑系数的值；
(3)改变开通关断角的组合，直到分别得到输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值；
(4)将励磁参数优化模型的最大值利用到多目标函数中，并配以不同的权重系数，得到多目标优化函数最优值模型；
(5)对多目标优化函数最优模型进行仿真得到最优开通角和管断角，通过滞环控制器控制功率变换器各相开关管的通断。
上述方案中，步骤(2)中，所述输出功率为：
其中，Pout为输出功率，U为电机输出电压，θ为相位变量，N为SRG相数， T为一相的导通周期，θ1为开通角，θ2为关断角，θ3为换相角。
所述工作效率为：
其中，η为工作效率，P为机械输入功率，Tave为平均转矩，ω为电机角速度。
所述转矩平滑系数为：
其中，τ为转矩平滑系数，Tmax为最大瞬时转矩，Tmin为最小瞬时转矩。
上述方案中，步骤(3)中，所述输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值，具体公式如下：
其中，fp为输出功率的优化函数，fη为工作效率的优化函数，fτ为平滑系数的优化函数，θon_opt为最优开通角，θoff_opt为最优关断角。
上述方案中，步骤(4)中，所述多目标优化函数最优值模型为：
其中：fobj为多目标优化函数；Pmax、ηmax和τmax分别为输出功率、工作效率和转矩平滑系数的最大值；kp为输出功率权重系数，kη为工作效率权重系数， kτ为平滑系数权重系数。
由上述技术方案可知，本发明所述的开关磁阻电机多目标优化控制方法，不仅可以在一定的转速范围内获得稳定的开通关断角组合，提高了开关磁阻电机的输出功率、工作效率，同时也减小了电机的转矩脉动，本发明所述的多目标优化控制方法简单可靠，使整个系统呈现出良好的性能。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的开关磁阻电机单目标优化得到的最优输出功率、转速和参考电流的关系图；
图3是本发明开关磁阻电机单目标优化得到的最优工作效率、转速和参考电流的关系图；
图4是本发明开关磁阻电机单目标优化得到的最优平滑系数、转速和参考电流的关系图；
图5是本发明开关磁阻电机多目标优化控制后得到的多目标最优值、转速和参考电流的关系图；
图6是本发明开关磁阻电机多目标优化控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的一种开关磁阻电机多目标优化控制方法，具体包括以下步骤：
一种开关磁阻电机多目标优化控制方法，包括以下步骤：
S1：确立优化目标模块：根据开关磁阻电机系统输出功率、工作效率的要求及开关磁阻电机本体转矩脉动大的特性，确定输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标；其中，输出功率越高意味着开关磁阻电机的电性能好；工作效率高意味着这开关磁阻电机系统运行状态好，系统各项损耗低；转矩平滑系数越大意味着电机转矩脉动越小。
S2：利用有限元分析法对开关磁阻电机进行仿真得到其电机磁链和转矩数据。并根据电机磁链和转矩数据利用Matlab/Simulink建立开关磁阻电机系统仿真模型。分析励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速对输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的影响；定义单目标优化的函数，确定励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速各自的范围，在其范围内分别计算输出功率、工作效率和转矩平滑系数的值。
随着开通、关断角的改变，参考电流和转速的增加，输出功率、工作效率和转矩平滑系数都会产生不同的变化，而这些变化也并非是线性的。通过改变这些励磁参数，开关磁阻电机的运行状态也会产生不同的改变，因此寻找最优的励磁参数组合来优化开关磁阻电机的运行状态，提高输出功率、工作效率和减小转矩平滑系数是十分必要的。对于开关磁阻电机内部复杂的磁场问题，可利用有限元分析法对电机进行仿真结果准确度较高。根据SRG各相的独立性，可以用单相绕组作为分析对象，在优化分析过程中，通过有限元分析得到的相关数据建立的磁链与转子位置角θ和电流i的关系，转子位置角θ以非对齐位置作为0°，则：
输出功率为：
其中，Pout为输出功率，U为电机输出电压，θ为相位变量，N为SRG相数， T为一相的导通周期，θ1为开通角，θ2为关断角，θ3为换相角。
工作效率为：
其中，η为工作效率，P为机械输入功率，Tave为平均转矩，ω为电机角速度。
转矩平滑系数为：
其中，τ为转矩平滑系数，Tmax为最大瞬时转矩，Tmin为最小瞬时转矩
S3：单目标优化模块：改变开通关断角的组合，直到分别得到输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值，具体公式如下：
其中，fp为输出功率的优化函数，fη为工作效率的优化函数，fτ为平滑系数的优化函数，θon_opt为最优开通角，θoff_opt为最优关断角。
根据提出单目标优化的函数，在励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速各自的范围内分别计算输出功率、工作效率和转矩平滑系数的值，改变开通关断角的组合，直到分别得到输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值，最优输出功率、最优工作效率和最优转矩平滑系数结果分别如图2、3、4所示。
S4：多目标优化模块：将励磁参数优化模型的最大值利用到多目标函数中，并配以不同的权重系数，得到多目标优化函数最优值模型：
其中：fobj为多目标优化函数；Pmax、ηmax和τmax分别为输出功率、工作效率和转矩平滑系数的最大值；kp为输出功率权重系数，kη为工作效率权重系数， kτ为平滑系数权重系数。
函数中，并配以不同的权重系数，从而得到多目标优化函数。改变开通关断角的组合，得到在不同参考电流和电机转速下的多目标函数的最优值，结果如图5所示。其中本发明中涉及多目标函数中权重系数的分配中，各个优化目标的权重系数应根据优化目标的侧重点以及电机的固有特性合理分配，不同的电机以及不同的励磁参数优化目标对应的权重系数有所不同，应根据实际情况具体分析。
S5：对多目标优化函数最优模型进行仿真得到最优开通角和管断角，通过滞环控制器控制功率变换器各相开关管的通断。
电机控制系统主要包括电压控制器、滞环控制器和功率变换器来控制开关磁阻发电机SRG工作，本实施例采用的控制器为RT-LAB，它具备一部分的 matlab功能，具体包括开通角/管断角查找模块、角度位置控制模块及相应的计算模块，只需要将仿真得到的最优开通关断角数据导入到查找表模块里就可以在运行的时候根据给定的参考电压和参考电流进行查找相应的最优开通关断角。
如图6所示，将给定参考电压与反馈测得电压值一同输入电压控制器，得到相应的相电流参考值，并与参考电流一同输入到滞环控制器中。在最优开通角关断角查找模块，将上文中得到的不同控制参数下的最优开通关断角数据模型导入到RT-LAB半实物仿真控制器的查找表模块中，通过输入不同的参考电压、参考电流和转速，得到此刻最优的开通角和关断角，并输入到角度位置控制模块。在相对位置计算模块，输入量为转速，将输出量转子位置角一同输入到角度位置控制模块。最后将滞环控制器模块和角度位置控制模块得到的信号相与得到输出量开关管控制信号，即可控制功率变换器各相开关管的通断，进一步对电机进行相应的控制。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机多目标优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据开关磁阻电机系统输出功率、工作效率的要求及开关磁阻电机本体转矩脉动大的特性，确定输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标；
(2)分析励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速对输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的影响，定义单目标优化的函数，确定励磁参数开通角、关断角、参考电流和电机转速各自的范围，在其范围内分别计算输出功率、工作效率和转矩平滑系数的值；
(3)改变开通关断角的组合，直到分别得到输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值；
(4)将励磁参数优化模型的最大值利用到多目标函数中，并配以不同的权重系数，得到多目标优化函数最优值模型；
(5)对多目标优化函数最优模型进行仿真得到最优开通角和管断角，通过滞环控制器控制功率变换器各相开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机多目标优化控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述输出功率为：
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其中，Pout为输出功率，U为电机输出电压，θ为相位变量，N为SRG相数，T为一相的导通周期，θ1为开通角，θ2为关断角，θ3为换相角。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机多目标优化控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述工作效率为：
<mrow> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mi>P</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>
其中，η为工作效率，P为机械输入功率，Tave为平均转矩，ω为电机角速度。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机多目标优化控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述转矩平滑系数为：
<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mi>min</mi> <mo>{</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>}</mo> </mrow>
其中，τ为转矩平滑系数，Tmax为最大瞬时转矩，Tmin为最小瞬时转矩。
5.根据权利要求1所述的开关磁阻电机多目标优化控制方法，其特征在于：步骤(3)中，所述输出功率、工作效率和转矩平滑系数三个励磁参数优化目标的最大值，具体公式如下：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>p</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>max</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>&amp;eta;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>max</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>max</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，fp为输出功率的优化函数，fη为工作效率的优化函数，fτ为平滑系数的优化函数，θon_opt为最优开通角，θoff_opt为最优关断角。
6.根据权利要求1所述的开关磁阻电机多目标优化控制方法，其特征在于：步骤(4)中，所述多目标优化函数最优值模型为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>b</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mo>{</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mi>max</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>&amp;eta;</mi> </msub> <mfrac> <mi>&amp;eta;</mi> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </msub> <mfrac> <mi>&amp;tau;</mi> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>}</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>&amp;eta;</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中：fobj为多目标优化函数；Pmax、ηmax和τmax分别为输出功率、工作效率和转矩平滑系数的最大值；kp为输出功率权重系数，kη为工作效率权重系数，kτ为平滑系数权重系数。
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