CN108900132A

CN108900132A - 基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法

Info

Publication number: CN108900132A
Application number: CN201810699313.9A
Authority: CN
Inventors: 费晨; 颜建虎; 汪盼; 言钊; 周鑫昇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2018-11-27

Abstract

本发明公开了一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，用于降低开关磁阻电机运行时的转矩脉动，具体步骤：首先由位置检测模块检测位置信息θ，电流检测模测得电流信息i，速度计算模块通过位置信息θ计算出实际转速ω_r；转矩估算模块根据θ和i计算出各相的实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d；然后遗传算法模块根据T_a、T_b、T_c、T_d和θ得出开通角θ_on和关断角θ_off；其次转速PI根据给定转速ω^* _r和实际转速ω_r，得出给定转矩T_ref；转矩分配模块根据T_ref、θ_on、θ_off和θ分配开关磁阻电机的各相参考转矩T^* _a、T^* _b、T^* _c、T^* _d；滞环控制器通过比较T^* _a、T^* _b、T^* _c、T^* _d和T_a、T_b、T_c、T_d产生开关信号；最后功率变换器根据开关信号，来控制开关磁阻电机。本发明结合遗传算法和转矩分配函数，可以有效减小开关磁阻电机运行时的转矩脉动。

Description

基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电机的控制技术领域，具体涉及一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)是结构最简单的电机，相较于其他类型的电机，其驱动系统具有许多独特的优点。首先，其电机本体结构简单，只在定子极上有绕组，而转子上无绕组，也无永磁体，这种结构特别适用于高速驱动、高温、振动等恶劣场合使用。其次，开关磁阻电机的开关元件与绕组相串联，从而避免了两个开关元件直通的危险，从而提高了驱动系统的可靠性。除此之外，开关磁阻电机还具有可控参数多、调速性能好、高起动转矩和低起动电流等特点。然而，由于开关磁阻电机本身就是一个时变、非线性的系统。磁阻转矩是定子电流和转子位置的非线性函数，加之开关形式的供电电源，导致其转矩脉动要比其他系统严重。由此引起的瞬时转矩脉动，电机噪声、振动等问题是限制开关磁阻电机驱动系统在诸如伺服器驱动和家用电器等低速平稳运行场合下应用的主要障碍。因此，对开关磁阻电机转矩脉动抑制的研究一直受到人们的高度重视，各国学者在转矩脉动抑制方面也提出了许多方法，取得了较显著的成果。

减小转矩脉动的方法主要有两种：一种方法是优化电机的电磁设计，另一种方法是从电机控制角度来实现转矩脉动的最小化。开关磁阻电机的转矩脉动一般出现在换相时，这是由于换相时，当前相关断，不再产生电磁转矩，而下一相导通，不能产生足够的转矩而造成的。在传统的控制方式下，开关磁阻电机将产生明显的转矩脉动，由此将造成转速的上下波动，对于驱动高精度的控制系统装置，此种控制方式难以满足要求。针对开关磁阻电机的转矩脉动的抑制，从电机控制角度来说主要有直接转矩控制，转矩分配函数控制，微步控制等方法。在实际研究中，转矩分配函数控制相对效果较好，转矩分配函数控制，实质上是通过定义每相的转矩分配函数，来合理地分配各相的电磁转矩，以求瞬时转矩之和为一恒定值，然后对各相加以适当的控制策略以实现电机的高性能控制。

遗传算法是借鉴生物的自然选择和遗传进化机制而开发出的一种全局优化自适应概率搜索算法。遗传算法使用群体搜索技术，它通过对当前群体施加选择、交叉、变异等一系列遗传操作，从而生产出新一代的群体，并逐步使群体进化到包含或接近最优解的状态。由于其具有思想简单、易于实现、应用效果明显等优点而被众多应用领域所接受。用遗传算法来优化开关磁阻电机转矩分配函数的开通、关断角度，这样可以在转矩分配函数控制的基础上进一步减小转矩脉动。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，在传统的开关磁阻电机指数型转矩分配函数控制方法的基础上，加入了遗传算法，对转矩分配函数的开通、关断角度进行实时的优化，使电机运行时的转矩脉动进一步减小。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，包括转速PI、转矩分配模块、滞环控制器、功率变换器、开关磁阻电机、电流检测模块、位置检测模块、速度计算模块、转矩估算模块和遗传算法模块。其中转速PI、转矩分配模块、滞环控制器、功率变换器、开关磁阻电机依次连接，遗传算法模块分别与转矩估算模块、位置检测模块和转矩分配模块连接，转矩估算模块分别与电流检测模块、位置检测模块和滞环控制器连接，速度计算模块分别与位置检测模块和转速PI连接，具体步骤：

步骤1、启动开关磁阻电机，速度计算模块通过与开关磁阻电机相连的位置检测模块测得的位置信息θ计算实际转速ω_r。

步骤2、转矩估算模块根据位置信息θ和电流检测模块测得的电流信息i计算出各相的实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d。

步骤3、遗传算法模块根据各相实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d和位置信息θ得出开通角θ_on和关断角θ_off。

步骤4、转速PI根据给定转速ω^* _r和实际转速ω_r，得出给定转矩T_ref，从而作为转矩分配模块的给定转矩。

步骤5、转矩分配模块根据给定转矩T_ref、开通角θ_on、关断角θ_off和位置信息θ分配开关磁阻电机的各相参考转矩T^* _a、T^* _b、T^* _c、T^* _d。

步骤6、滞环控制器通过比较各相参考转矩和各相实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d产生开关信号；当各相参考转矩给定与各相实际转矩之差大于滞环控制器的滞环宽度就产生高电平，反之则产生低电平。

步骤7、功率变换器根据开关信号，高电平开通，低电平关断，以驱动开关管，从而来控制开关磁阻电机。

进一步地，所述步骤2的转矩估算模块采用查表法，通过预先测量电机的转矩特性，建立起电机的转矩与电流信息i和位置信息θ的参数表，通过实时查表来得到各相实际转矩。

进一步地，所述步骤5中的转矩分配模块中采用指数型转矩分配函数f_k(θ)，其表达式为：

式中：为开通角、为关断角、为相邻两相的换相重叠角。

进一步地，所述步骤6的滞环控制器的滞环宽度为0，以保证各相实际转矩能更好的追踪各相参考转矩。

进一步地，所述步骤7的功率变换器采用不对称半桥结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明考虑了不同类型的转矩分配函数对开关磁阻电机的转矩脉动的影响，选取了指数型转矩分配函数，相较于其他类型的转矩分配函数，它对转矩脉动的抑制能力更强。

(2)本发明考虑了在实际电机控制中滞环宽度会影响管子的开关频率，把滞环宽度设置为0，可以提高管子的开关频率，从而降低开关磁阻电机的转矩脉动。

(3)本发明采用了遗传算法在转矩分配函数的基础上进一步优化开通角、关断角来进一步减小转矩脉动。

(4)本发明在转矩估算模块中采用了查表法，通过预先测量电机的转矩特性，建立起电机的转矩与电流i、和位置信息θ的参数表，具有更高的精确度。

附图说明

图1为本发明的控制结构框图。

图2为本发明指数型转矩分配函数波形示意图。

图3为本发明遗传算法模块中的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明利用转矩分配函数控制，通过遗传算法对其运行时的开通、关断角度进行优化，寻取其在某一运行工况下的使转矩脉动最小的最优的开通、关断角度，以达到在转矩分配函数控制的基础上对其转矩脉动的进一步降低。

本发明中的遗传算法和转矩分配函数控制算法由上位机来实现，并不需要增加额外的硬件电路。其中各相电流由电流传感器采集，转子位置信息由增量式光电编码器采集，这些信息由控制板传回上位机。

开关磁阻电机和其他电磁式机电装置相同，都可以看作是机械端口和电端口的双端口模型，耦合磁场存在于电端口和机械端口之间。描述这种机电能量转换的微分方程由电路方程、机械方程、运动方程三部分组成。其中，电压平衡方程为：

式中：U_k、R_k、i_k、e_k和Ψ_k分别为第k相绕组的外加电压、电阻、电流、感应电动势和磁链，t为时间。其中相绕组的磁链Ψ_k为i_k和位置信息θ的函数，且可用其电感电流的乘积表示为：

ψ_k(θ,i_k)＝L_k(θ,i_k)i_k (2)

式中：L_k为第k相绕组的电感。

将式(2)代入式(1)，得：

式中表明，相绕组外加电压与其电路中三部分电压相平衡，式中等式右边第一项是第k相绕组的电阻上的压降；第二项是变压器电动势；第三项是运动电动势。

按照力学定律，可列写出SRM的运动方程为：

式中：T_e、J、D和T_L分别为电磁转矩、转动惯量、摩擦系数和负载转矩。

根据虚位移原理得到瞬时电磁转矩为：

式中：T_x、W’和W分别为在x处的瞬时电磁转矩、绕组的磁共能和绕组的磁储能。

开关磁阻电机在运行时，在磁路饱和状态下，磁储能和磁共能很难进行计算，因此，可以从一相入手考察研究电机的电磁转矩。每相在一个周期内输出的机械能为：

W_m＝∫idψ (6)

结合图1，一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，包括转速PI、转矩分配模块、滞环控制器、功率变换器、开关磁阻电机、电流检测模块、位置检测模块、速度计算模块、转矩估算模块和遗传算法模块，其中转速PI、转矩分配模块、滞环控制器、功率变换器、开关磁阻电机依次连接，遗传算法模块分别与转矩估算模块、位置检测模块和转矩分配模块连接，转矩估算模块分别与电流检测模块、位置检测模块和滞环控制器连接，速度计算模块分别与位置检测模块和转速PI连接，具体步骤：

步骤1、启动开关磁阻电机，速度计算模块通过与开关磁阻电机相连的位置检测模块测得的位置信息θ计算实际转速ω_r；

步骤2、转矩估算模块根据位置信息θ和电流检测模块测得的电流信息i计算出各相的实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d；

步骤3、遗传算法模块根据各相实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d和位置信息θ得出开通角θ_on和关断角θ_off；

步骤4、转速PI根据给定转速ω^* _r和实际转速ω_r，得出给定转矩T_ref，从而作为转矩分配模块的给定转矩；

步骤5、转矩分配模块根据给定转矩T_ref、开通角θ_on、关断角θ_off和位置信息θ分配开关磁阻电机的各相参考转矩T^* _a、T^* _b、T^* _c、T^* _d；

步骤6、滞环控制器通过比较各相参考转矩和各相实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d产生开关信号；当各相参考转矩给定与各相实际转矩之差大于滞环控制器的滞环宽度就产生高电平，反之则产生低电平；

其中步骤6的滞环控制器的滞环宽度为0，以保证各相实际转矩能更好的追踪各相参考转矩。步骤7的功率变换器采用不对称半桥结构。

图2为转矩分配函数的示意图。

合理设计转矩分配函数，对于开关磁阻电机的高性能控制非常重要，其一般设计原则有两条，一条是各相只产生正的转矩；另一条是在任一瞬时，只有一相或者相邻两相通电。常用的转矩分配函数类型，有直线型、指数型、正弦型、立方型四种。这四种转矩分配函数控制方法均能够用于转矩脉动最小化控制，其中指数函数形式的转矩分配函数能够获得最大的调速范围，而且转矩脉动抑制效果也最好，正弦型和立方型次之，直线型最差。因此，选择在指数型转矩分配函数的基础上来进行优化分析。

指数型的转矩分配函数在其输出转矩在相邻两相的重叠区随着角度变化呈指数型变化。第k相的转矩指令指数下降，第k+1相的转矩指数上升，以补足第k相的转矩跌落，两相转矩之和即为给定转矩。指数型转矩分配函数的表达式为：

式中：和分别为开通角、关断角和相邻两相的换相重叠角。

由式(7)可知，转矩分配函数的可调节的参数为开通角关断脚和重叠角合理调节这些参数可以获取不同的转矩分配函数曲线，从而获得最佳的转矩脉动优化效果。

图3为遗传算法的控制流程图。

遗传算子主要包括选择算子、交叉算子、变异算子。

选择算子中最常用的是比例选择算子，即个体被选中的概率正比于适应度值。若设种群数为M，个体i的适应度为f_i，则个体i被选中的概率为：

交叉算子在整个遗传算法中起核心作用，它可以进一步提高种群的多样性。交叉算子通常使用单点交叉算子。

变异算子的作用是模仿自然界中的变异操作，它通过对种群中的个体的某些基因值作变动，来产生新的个体。

首先在程序运行之初，每相设置一个初始的开、关角度，共四组初始角度，然后通过在电机运行中测量其对应的转矩，以求出其转矩脉动，作为该组的适应度，最后用遗传算子对种群进行选择、交叉变异产生下一代种群。根据遗传算法的收敛性，随着迭代的进行，整个种群将会收敛到一个最优的适应度状态，即获得一组最优的开关角，从而完成寻优。

以一台500W，220V的四相8/6极的开关磁阻电机为例，通过实验测量的方法建立起转矩与电流信息i和位置信息θ的参数表，如表1所示；

在转矩估算模块中由已知电流信息i和位置信息θ就可以通过查表得出当前的各相实际转矩T_a、T_b、T_c、T_d。查表法相比于其他方法具有更高的精确度，并且在实际运行中无需复杂的运算，可以降低程序运算的时间。

综上所述，本发明提出的一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，结合遗传算法和转矩分配函数，可以有效减小开关磁阻电机运行时的转矩脉动。

Claims

1.一种基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：包括转速PI、转矩分配模块、滞环控制器、功率变换器、开关磁阻电机、电流检测模块、位置检测模块、速度计算模块、转矩估算模块和遗传算法模块。其中转速PI、转矩分配模块、滞环控制器、功率变换器、开关磁阻电机依次连接，遗传算法模块分别与转矩估算模块、位置检测模块和转矩分配模块连接，转矩估算模块分别与电流检测模块、位置检测模块和滞环控制器连接，速度计算模块分别与位置检测模块和转速PI连接，具体步骤：

2.根据权利要求1所述的基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述步骤2的转矩估算模块采用查表法，通过预先测量电机的转矩特性，建立起电机的转矩与电流信息i和位置信息θ的参数表，通过实时查表来得到各相实际转矩。

3.根据权利要求1所述的基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述步骤5中的转矩分配模块中采用指数型转矩分配函数f_k(θ)，其表达式为：

式中：为开通角、为关断角、为相邻两相的换相重叠角。

4.根据权利要求1所述的基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述步骤6的滞环控制器的滞环宽度为0，以保证各相实际转矩能更好的追踪各相参考转矩。

5.根据权利要求1所述的基于遗传算法和转矩分配函数的开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述步骤7的功率变换器采用不对称半桥结构。