CN114268259B - 用于永磁同步电机的多目标控制方法、控制器及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于永磁同步电机的多目标控制方法、控制器及控制系统，获取永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，以及转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，根据DDPG算法设置多目标奖励函数，并根据所述多目标奖励函数以及环境状态参量，输出动作参量，根据永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，根据计算得到的永磁同步电机的d轴和q轴定子电压进行永磁同步电机的控制，同时考虑了电流约束、速度误差小和节能等多目标，实现永磁同步电机的可靠控制。

Description

用于永磁同步电机的多目标控制方法、控制器及控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于永磁同步电机的多目标控制方法、控制器及控制系统。

背景技术

永磁同步电机以其高效率、高功率密度的优点在高性能伺服系统等工业应用领域得到了广泛的应用。随着科学技术的发展，电机的内环和外环的控制周期几乎没有差别，因此由于控制设计简单、参数调整简单和系统动态性能较好，无级联结构的控制器设计越来越多被采用。

目前，为了实现不同的目的，现有的永磁同步电机的控制方式有很多种，比如包含电流约束的无级联结构控制方法。然而，现有的永磁同步电机的控制方法无法同时考虑电流约束、速度误差小和节能等多目标。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于永磁同步电机的多目标控制方法、控制器及控制系统。

本发明采用以下技术方案：

一种用于永磁同步电机的多目标控制方法，包括如下步骤：

获取永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，以及转速、d轴电流和q轴电流的反馈值；

根据DDPG算法设置多目标奖励函数，并根据所述多目标奖励函数以及环境状态参量，输出动作参量；

根据所述永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，并输出所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压。

进一步地，所述多目标奖励函数具体如下：

其中，A₁和A₂分别为预设的奖励值，A₁大于A₂，D为预设系数，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，u_d和u_q分别是永磁同步电机d轴电压和q轴电压的反馈值，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，c为预设值。

进一步地，A₁等于1000，A₂等于500，D等于0.1。

进一步地，所述根据所述永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，输出所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，包括：

所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压的计算公式如下：

其中，u_md和u_mq分别是永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，L_d和L_q分别为d轴和q轴定子电感，n_p为极对数，Φ为转子通量，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，

为q轴电流的参考值，R_s为定子电阻；

设定：r_a＝|ξ|，r_b＝|η|，

其中，K_I为积分动作的系数，r_a和r_b为互连分配矩阵的系数，所述动作参量为a_t＝(ξ,η,κ)_t，t为时刻t。

一种用于永磁同步电机的多目标控制器，所述多目标控制器的输入为永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，所述控制器用于计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，所述控制器的输出为所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压；其中，根据DDPG算法设置多目标奖励函数，并根据所述多目标奖励函数以及环境状态参量，输出所述动作参量。

进一步地，所述多目标奖励函数具体如下：

其中，A₁和A₂分别为预设的奖励值，A₁大于A₂，D为预设系数，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，u_d和u_q分别是永磁同步电机d轴电压和q轴电压的反馈值，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，c为预设值。

进一步地，A₁等于1000，A₂等于500，D等于0.1。

进一步地，所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压的计算过程，包括：

所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压的计算公式如下：

其中，u_md和u_mq分别是永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，L_d和L_q分别为d轴和q轴定子电感，n_p为极对数，Φ为转子通量，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，

为q轴电流的参考值，R_s为定子电阻；

设定：r_a＝|ξ|，r_b＝|η|，

其中，K_I为积分动作的系数，r_a和r_b为互连分配矩阵的系数，所述动作参量为a_t＝(ξ,η,κ)_t，t为时刻t。

一种用于永磁同步电机的多目标控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的用于永磁同步电机的多目标控制方法的步骤。

本发明的供的用于永磁同步电机的多目标控制方法根据永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及通过DDPG算法得到的动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，根据计算得到的永磁同步电机的d轴和q轴定子电压进行永磁同步电机的控制，同时考虑了电流约束、速度误差小和节能等多目标，实现永磁同步电机的可靠控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1是本申请实施例提供的用于永磁同步电机的多目标控制方法的整体流程示意图；

图2是本申请实施例提供的用于永磁同步电机的多目标控制方法的控制算法流程图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施方式来进行说明。

参见图1，本发明提供了一种用于永磁同步电机的多目标控制方法，为了说明该多目标控制方法，先描述永磁同步电机的数学模型。由于负载扰动不可控，给出了带负载扰动的永磁同步电机的哈密顿模型，相比现有的电机哈密顿系统，物理意义更加明确，更有利于控制器设计。

永磁同步电机的数学模型可以描述为：

其中，L_d和L_q分别为d轴和q轴定子电感，i_md、i_mq分别为d轴和q轴定子电流，u_md、u_mq分别为d轴和q轴定子电压，R_s为定子电阻，n_p为极对数，ω_m为机械角速度，Φ为转子通量，J_m是惯性参量，τ为电机电磁转矩，

τ_L是负载转矩，B是摩擦系数。

带扰动的端口受控哈密顿系统可以表示为：

其中，u、x、y和f分别为系统的输入向量、状态向量、输出向量和扰动向量，

为偏微分符号。若将电机系统化为端口哈密顿系统，由于负载转矩并不可控，则令状态向量为

输入向量为u＝[u_md,u_mq,0]^T，扰动向量为/>

给定哈密顿函数为/>

则/>

令

和/>

就可得到永磁同步电机的哈密顿模型。

计算得到电机的参考电流和参考速度，通过互连分配和阻尼注入方法，设定互连分配和阻尼注入矩阵，得到具有d轴和q轴电流限幅能力的电压方程，相比现有的基于哈密顿方法的电压方程，此电压方程具有d轴和q轴电流限幅能力：

其中u_rd和u_qd分别为d轴和q轴的电压，

和ω^*分别为q轴电流和转速的参考值，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值。r_a和r_b为互连分配矩阵的系数，由于r_a和r_b在形式上是i_d和i_q的误差系数，因此它们可以调节i_d和i_q，使其不过流。

现有技术消除负载扰动需要负载观测器并且消除不匹配扰动需要使用扰动观测器。而通过扩维的方法增加积分动作，得到具有d轴和q轴电流限幅能力、消除静差能力、消除不匹配扰动并且可以不用转矩观测器就能消除负载扰动的电压方程：

其中，K_I为积分动作的系数，即积分增益，可以看出上式包含互连分配矩阵的系数r_a和r_b，此外，

是最终控制器中速度误差积分的系数，因此合适的参数可以跟踪速度误差、消除静态误差、消除不匹配扰动并且不用观测器就消除未知负载扰动。因此，给出的电压控制方程具有d轴和q轴电流限幅、消除静差、消除不匹配扰动并且可以不用转矩观测器就能消除负载扰动的能力。

在永磁同步电机的多目标控制过程中，首先获取永磁同步电机q轴电流和转速的参考值

和ω^*，以及转速、d轴电流和q轴电流的反馈值ω、i_d和i_q。

然后，根据DDPG算法设置多目标奖励函数，本实施例中，多目标奖励函数具体如下：

其中，A₁和A₂分别为预设的奖励值，A₁大于A₂，D为预设系数，u_d和u_q分别是永磁同步电机d轴电压和q轴电压的反馈值，c为预设值。作为一个具体实施方式，A₁等于1000，A₂等于500，D等于0.1，相应地，得到如下多目标奖励函数：

DDPG算法控制的目标是使长期累积奖励最大化，此多目标奖励函数中，包含了d轴和q轴的电流约束，速度误差和电压输入的影响。当d轴、q轴都满足电流约束时，奖励为1000，当只有一个满足电流约束时，奖励为500，当电流都不约束时，奖励为0；在速度误差方面，奖励函数包含的是-|ω-ω^*|这一项，即速度误差越少，奖励越大；在输入方面，奖励函数包含-0.1u_d-0.1u_q这一项，说明输入越小，奖励越大。每一项前面的系数由重要性和数值幅度决定，可以看出因为涉及到安全生产，因此对电流的约束最重要。该多目标奖励函数包含了电流受限、速度误差和电机输入节能。

应当理解，DDPG算法为常规算法，其应用到永磁同步电机中也是常规应用，本实施例中，通过DDPG算法设置多目标奖励函数，查找最优注入阻尼向量系数，得到一种电流受限、速度误差小、节能并且抗负载扰动的用于永磁同步电机的控制器，向量a＝(ξ,η,κ)通过DDPG算法进行更新计算。对于DDPG算法来说，永磁同步电机是“环境”，向它提供每时刻的“状态”s_t＝(u_d,u_q,i_d,i_q,ω)_t，并且得到向他反馈的向量“动作”a_t＝(ξ,η,κ)_t，t表示时刻t。因此，DDPG算法中，根据多目标奖励函数以及环境状态参量，输出动作参量，如图2所示，环境状态参量为DDPG算法的输入(s_t、a_t、r_t、s_t+1)，s_t为当前时刻状态，r_t为当前时刻奖励值，s_t为下一时刻状态，动作参量为DDPG算法的输出a_t＝(ξ,η,κ)_t，a_t的具体形式如图2所示，其中，N_t为噪音模型，θ_μ为网络参数。由于DDPG算法为现有算法，本实施例不再对其具体算法过程进行说明。

根据永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，计算公式如下：

计算得到d轴和q轴定子电压u_md、u_mq之后，输出u_md、u_mq，本实施例中，u_md、u_mq作为帕克变换的输入，如图2所示，依次经过帕克变换、空间矢量调制和三相逆变器之后控制永磁同步电机。由于该部分是常规技术，不再详述。应当理解，还可以根据实际情况，将u_md、u_mq输出给其他现有的电机控制模型中。

本实施例还提供一种用于永磁同步电机的多目标控制器，该多目标控制器的输入为永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，该控制器用于计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，而控制器的输出为永磁同步电机的d轴和q轴定子电压。上述方法实施例对该多目标控制器的具体实现过程做了详细说明，不再赘述。该多目标控制器可以作为一个独立的部分，应用于永磁同步电机的控制中。

本实施例还提供一种用于永磁同步电机的多目标控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述用于永磁同步电机的多目标控制方法的步骤。由于方法实施例中已对该多目标控制方法进行了详细描述，不再赘述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于永磁同步电机的多目标控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，以及转速、d轴电流和q轴电流的反馈值；

根据DDPG算法设置多目标奖励函数，并根据所述多目标奖励函数以及环境状态参量，输出动作参量；

根据所述永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，并输出所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压；

所述多目标奖励函数具体如下：

其中，s为状态，a为动作，A₁和A₂分别为预设的奖励值，A₁大于A₂，D为预设系数，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，u_d和u_q分别是永磁同步电机d轴电压和q轴电压的反馈值，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，c为预设值。

2.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的多目标控制方法，其特征在于，A₁等于1000，A₂等于500，D等于0.1。

3.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机的多目标控制方法，其特征在于，所述根据所述永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，输出所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，包括：

所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压的计算公式如下：

其中，u_md和u_mq分别是永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，L_d和L_q分别为d轴和q轴定子电感，n_p为极对数，Φ为转子通量，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，

为q轴电流的参考值，R_s为定子电阻；

设定：r_a＝|ξ|，r_b＝|η|，

其中，K_I为积分动作的系数，r_a和r_b为互连分配矩阵的系数，所述动作参量为a_t＝(ξ,η,κ)_t，t为时刻t。

4.一种用于永磁同步电机的多目标控制器，其特征在于，所述多目标控制器的输入为永磁同步电机q轴电流和转速的参考值，转速、d轴电流和q轴电流的反馈值，以及动作参量，所述控制器用于计算得到永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，所述控制器的输出为所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压；其中，根据DDPG算法设置多目标奖励函数，并根据所述多目标奖励函数以及环境状态参量，输出所述动作参量；

所述多目标奖励函数具体如下：

其中，s为状态，a为动作，A₁和A₂分别为预设的奖励值，A₁大于A₂，D为预设系数，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，u_d和u_q分别是永磁同步电机d轴电压和q轴电压的反馈值，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，c为预设值。

5.根据权利要求4所述的用于永磁同步电机的多目标控制器，其特征在于，A₁等于1000，A₂等于500，D等于0.1。

6.根据权利要求4所述的用于永磁同步电机的多目标控制器，其特征在于，所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压的计算过程，包括：

所述永磁同步电机的d轴和q轴定子电压的计算公式如下：

其中，u_md和u_mq分别是永磁同步电机的d轴和q轴定子电压，L_d和L_q分别为d轴和q轴定子电感，n_p为极对数，Φ为转子通量，i_d和i_q分别是永磁同步电机d轴电流和q轴电流的反馈值，ω^*和ω分别为永磁同步电机转速的参考值和反馈值，

为q轴电流的参考值，R_s为定子电阻；

设定：r_a＝|ξ|，r_b＝|η|，

其中，K_I为积分动作的系数，r_a和r_b为互连分配矩阵的系数，所述动作参量为a_t＝(ξ,η,κ)_t，t为时刻t。

7.一种用于永磁同步电机的多目标控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-3任一项所述的用于永磁同步电机的多目标控制方法的步骤。

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