CN116317722A - 一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法。方法包括：构建基于数据驱动的换相补偿角寻优方案；建立换相补偿角模型，输出初始换相补偿角；建立基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略及其具体规则；动态搜索斩波电路电感电流最小时的最优换相补偿角；对初始换相信号进行校正，实现高速永磁无刷电机的自寻优换相校正。本发明方法动态获得电机不同运行工况下的最优换相补偿角，有效解决了转子位置估计误差、控制回路延时、绕组阻抗特性等因素导致的电流相位滞后问题，实现电机最大转矩电流比控制。此外，融合模型与数据驱动的禁忌搜索方案，保证了最优换相补偿角的搜索效率和质量，加快禁忌搜索算法的收敛速度。

Description

一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法

技术领域

本发明涉及了一种高速永磁无刷电机换相校正方法，具体涉及一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法。

背景技术

高速永磁无刷电机以其体积小，功率密度大，可与高速负载直接相连、提高系统传动效率等优势，广泛应用于航空航天、工业装备等领域。然而，在方波电流驱动的三相六步换相方式下，转子位置估计误差、控制回路延迟、绕组的阻抗特性等因素会引起严重的电流相位滞后，这不仅会减小电机输出转矩、降低带载能力，还会增加电机铜耗、降低电机运行效率。

为了补偿转子位置估计误差、控制回路延迟对电流相位滞后的影响，国外内学者提出了不同的换相校正方法，包括开环校正和闭环校正两种。开环校正方法通常基于数学模型直接计算换相补偿角，对转子位置检测电路中滤波器延迟、控制电路延迟、传感器检测误差等因素引起的电流相位误差进行开环补偿；开环补偿方法具有实现简单、响应速度快的优点，但其误差补偿的精度取决于模型的精度，且无法补偿系统未知扰动引起的误差。闭环校正方法通常利用电机电压和电流等信号的对称性对电流相位误差进行闭环补偿。上述校正方法在一定转速范围内，可以使定子电流和反电动势相位保持同步，提高了转矩电流比。然而，随着电机转速升高，绕组的阻抗特性还会导致实际电流相位明显滞后于反电动势，并且转速越高，电流相位滞后也越严重。

为了补偿绕组的阻抗特性对电流相位滞后的影响，国内外学者提出电机超前换相的校正方法，包括开环校正和闭环校正两种。开环校正方法通过数学模型推导或者离线数据查表方式，获得不同转速、负载转矩条件下电机的超前换相角，然而这种方法同样易受到电机参数变化和负载扰动等不确定性因素的影响；闭环校正方法是基于相电流和反电动势之间的相位差即内功角调零，获得不同工况下电机的换相补偿角。现有方法主要通过观测电机转子磁链和相电流积分间的相位差间接获取电机的内功角信息，然而，由于非理想滤波环节的频率特性，难以获得理想的内功角信息，此外只利用转子磁链和相电流积分中基波分量间的相位差调节换相补偿角，仍无法保证电机实现最大转矩电流比控制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，针对准电源逆变器-高速永磁无刷电机系统，本发明所提供一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法。在不同转速、负载转矩条件下动态搜索最优的换相补偿角，实现电机最大转矩电流比控制。

本发明采用的技术方案是：

本发明融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法包括如下步骤：

1)在方波电流驱动的脉冲幅度调制方式下，构建准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案，寻优方案基于最小斩波电路电感电流追踪。

2)建立准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统在最大转矩电流比条件下的换相补偿角模型，将高速永磁无刷电机的滞后补偿角和超前换相角输入换相补偿角模型中，换相补偿角模型输出高速永磁无刷电机的初始换相补偿角。

3)在步骤1)中的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案下，结合步骤2)中换相补偿角模型输出的初始换相补偿角建立基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略及其具体规则；基于最优换相补偿角在线搜索策略的具体规则，在不同运行工况下动态搜索准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的斩波电路电感电流最小时的最优换相补偿角。

4)通过检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点获得初始换相信号，根据步骤3)中搜索的最优换相补偿角对初始换相信号进行校正获得最终的换相信号，从而实现高速永磁无刷电机的自寻优换相校正。

所述的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统包括准电流源逆变器和高速永磁无刷电机，准电流源逆变器包括斩波电路和三相桥式逆变电路，斩波电路连接直流输入电压，斩波电路包括第一MOS管、第二MOS管、电感和二极管，第一MOS管和第二MOS管反向串联，第一MOS管的漏极连接直流输入电压的正极，第二MOS管的源极连接直流输入电压的负极，二极管的阴极连接第一MOS管的漏极，二极管的阳极连接电感的一端，第一MOS管和第二MOS管之间引出连接电感的另一端，二极管的阳极和电感之间的引出作为斩波电路的输出正端，第二MOS管的源极连接斩波电路的输出负端；斩波电路的输出正端和输出负端分别连接三相桥式逆变电路的输入正端和输入负端，其中三相桥式逆变电路中的每一相桥臂由两个同向串联的MOS管组成，两个MOS管之间引出连接到各自的高速永磁无刷电机的一相，高速永磁无刷电机连接转子位置检测电路。

所述的步骤1)中，构建的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案，具体为在方波电流驱动的脉冲幅度调制方式下驱动准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统运行，改变准电流源逆变器的斩波电路中的第一MOS管和第二MOS管的导通占空比来控制电感电流i_L，进而调节高速永磁无刷电机的绕组电流幅值；根据电机换相信号确定准电流源逆变器三相桥式逆变电路中功率管的开通和关断时刻，实现电流相位控制；对于准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统，不考虑换流阶段电机相电流的变化，采用斩波电路的电感电流的幅值来反映电机相电流幅值的大小；根据斩波电路电感电流i_L与换相补偿角之间的非线性关系，设计以斩波电路的电感电流幅值为评价指标，高速永磁无刷电机的换相补偿角为自变量的换相补偿角寻优方案，在电机转速、负载转矩一定的工况下，使得在斩波电路的电感电流幅值最小时，高速永磁无刷电机的换相补偿角最优。

所述的步骤2)中，考虑转子位置估计误差、控制回路延时和绕组阻抗特性对电流相位滞后的影响，基于数学模型计算无位置传感器高速永磁无刷电机的换相补偿角，建立的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统在最大转矩电流比条件下的换相补偿角模型，具体如下：

θ_{comp_mdl}＝θ_dly+θ_adv

其中，θ_{comp_mdl}表示高速永磁无刷电机的初始换相补偿角；θ_dly表示高速永磁无刷电机的滞后补偿角；θ_adv表示高速永磁无刷电机的超前换相角。

所述的高速永磁无刷电机的滞后补偿角θ_dly具体如下：

θ_dly＝θ_LPF+θ_s

θ_s＝ωΔt₁

其中，θ_LPF表示转子位置检测电路的分压低通滤波电路产生的相移角；θ_s表示由控制回路延迟产生的换相滞后角；ω表示高速永磁无刷电机的电角速度；R₁和R₂分别表示转子位置检测电路的第一电阻和第二电阻，C表示转子位置检测电路的电容，电阻R₁、R₂和电容C构成转子位置检测电路中的分压低通滤波电路；Δt₁表示控制回路延迟时间，控制回路延迟时间即控制回路中由于数字控制器采样延迟和计算延迟产生的延迟时间。

所述的高速永磁无刷电机的超前换相角θ_adv具体如下：

其中，ω表示高速永磁无刷电机的电角速度；L_s表示高速永磁无刷电机的等效相电感；I_L表示斩波电路的电感电流i_L的平均值；U_in表示准电流源逆变器的直流输入电压；E表示高速永磁无刷电机的反电动势的幅值。

基于最大化平均电磁功率模型，计算用于补偿定子绕组阻抗特性影响的超前换相角θ_adv。超前角用于补偿绕组的阻抗特性对电流相位滞后的影响。在相电流一定的条件下，以电机产生最大平均电磁功率为原则确定超前角。

所述的步骤3)中，建立的基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略的具体规则如下：

a)适配值规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，将斩波电路的电感电流幅值作为适配值，利用适配值对当前的最优换相补偿角在线搜索过程进行评价，当适配值最小时搜索到的最优换相补偿角即为当前的最优解x_best，其中不同解x所对应的适配值表示为g(x)。

b)候选解规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，在当前的最优解x_best附近按照均匀分布随机产生邻域，从邻域中随机选取下一次迭代搜索的n个候选解x_near(i)，i＝1,2,…n；移动是从一个解到另一个解的途径，邻域则是从当前的最优解x_best经过移动能够到达的所有解的集合。

c)禁忌表规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，在各个候选解x_near(i)中，选取最小适配值所对应的候选解为最佳候选解x_{near_B}，将当前获得的最佳候选解x_{near_B}和禁忌搜索的禁忌表中的解x_tabu(j)进行比较，j表示禁忌表的禁忌长度，j为正整数，当满足||x_{near_B}-x_tabu(j)||＜δ时，δ表示禁忌参数，δ为很小的正实数，则最佳候选解x_{near_B}在禁忌表中，反之则不在禁忌表中。

禁忌表是用来存放曾经已经搜索访问过的解，避免在搜索中陷入循环和局部最优。禁忌长度是指放置在禁忌表中的对象的禁忌周期，每进行一次迭代，周期就减少一次，直到周期为零时即可解除禁忌。定义判断新解是否在禁忌表中的准则，适应解是连续变化的特性。

d)特赦准则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，获得的当前的最佳候选解x_{near_B}比之前的任意一个最优解x_best更优，即当前的最佳候选解x_{near_B}的适配值小于之前的任意一个最优解x_best的适配值，尽管此时忽略禁忌表的限制，最佳候选解x_{near_B}处于禁忌表中，且禁忌周期不为零，将最佳候选解x_{near_B}从禁忌表是中特赦出来，解除对最佳候选解x_{near_B}的禁忌。

e)终止准则：

终止准则作为最优换相补偿角在线搜索的结束规则，当最优换相补偿角在线搜索执行到预设最大迭代次数Gen_max或者相邻两次迭代搜索的最优适配值的误差小于预设终止误差的情况连续出现N次，则搜索过程结束，此时最优换相补偿角在线搜索输出最优的换相补偿角θ_{comp_best}。

所述的下一次迭代搜索的候选解x_near(i)具体如下：

x_near(i)＝x_best+(2*rand-1)*scale*(x_u-x_l)

其中，x_near(i)表示下一次迭代搜索的第i个候选解；rand表示随机数函数，具体为0到1之间的一个均匀分布的随机数；scale表示平衡算法全局搜索能力和局部搜索能力的可调节参数；x_u和x_l分别表示下一次迭代搜索的第i个候选解x_near(i)的上下边界值。

当下一次迭代搜索的第i个候选解x_near(i)超出上下边界值x_u和x_l，则进行边界处理，具体如下：

其中，

表示边界处理后的下一次迭代搜索的第i个候选解。

所述的步骤3)中，建立的基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略，具体如下：

3.1)首先初始化禁忌搜索的算法参数，包括禁忌表和禁忌长度等，初始时将高速永磁无刷电机在不同运行工况下的初始换相补偿角作为禁忌搜索的初始解x₀，即x₀＝θ_{comp_mdl}，可以提高电机不同运行工况下最优换相补偿角的搜索效率和质量，加快禁忌搜索算法的收敛速度，在初始时最优换相补偿角在线搜索策略的当前最优解x_best等于初始解x₀。

3.2)判断最优换相补偿角在线搜索策略在当前的搜索过程中是否满足禁忌搜索的终止准则，若是，则结束最优换相补偿角在线搜索策略，输出当前最优解x_best，若否，则继续以下步骤。

3.3)根据候选解规则选取n个候选解x_near(i)，并获得各个候选解x_near(i)的适配值g(x_near(i))。

3.4)将各个候选解x_near(i)的适配值g(x_near(i))按照从小到大排序，将适配值最小的候选解x_near(i)作为最佳候选解x_{near_B}。

3.5)根据禁忌表规则判断最佳候选解x_{near_B}是否在禁忌表中，若否，则将该最佳候选解x_{near_B}作为下一次迭代的当前的最优解，即x_best＝x_{near_B}，同时将最佳候选解x_{near_B}加入禁忌表，然后继续步骤3.7)；若是，则继续步骤3.6)。

3.6)根据特赦准则对最佳候选解x_{near_B}进行判断，若不满足特赦准则，则从选取的n个候选解x_near(i)中选出一个不在禁忌表中的次优解作为下一次迭代的最优解，同时更新禁忌表中的对象。

3.7)进行步骤3.2)继续迭代搜索，迭代次数m＝m+1。

禁忌搜索的基本思想可概括为：给定一个当前解(初始解)和一种邻域，然后在当前解的邻域中确定若干候选解；若最佳候选解对应的适配值优于“best so far”状态，则忽视其禁忌特性，将其作为下一次迭代的当前解；若不存在上述候选解，则选择一个不在禁忌表中的较好解作为下一次迭代的当前解，同时将该解加入禁忌表，并修改禁忌表中各对象的任期。如此重复上述迭代搜索过程，直至满足终止准则。

所述的步骤4)中，通过检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点获得初始换相信号，具体为通过转子位置检测电路检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点，进而获得高速永磁无刷电机的a相初始换相信号Z_a、b相初始换相信号Z_b和c相初始换相信号Z_c。

本发明的有益效果是：

(1)在不同转速、不同负载转矩工况下自适应补偿转子位置估计误差、控制回路延迟、绕组的阻抗特性等各种因素对电流相位滞后的影响，实现高速永磁无刷电机最大转矩电流比控制。

(2)可有效降低系统扰动对换相补偿角全局寻优结果的影响，并且既避免了通过建立精确的数学模型求解最优换相补偿角的难题，也克服了单纯依赖数据的寻优方法在收敛速度慢、泛化能力低等方面的不足。

(3)将基于数学模型的计算结果与基于数据驱动的禁忌搜索方案相融合，保障了电机不同运行工况下最优换相补偿角的搜索效率和质量，加快了禁忌搜索算法的收敛速度。

附图说明

图1为提出的融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法框图；

图2为准电流源型逆变器-高速永磁无刷电机系统的等效电路图；

图3为线反电动势过零点与滞后换相、超前换相的关系图；

图4为基于线反电动势过零点获得初始换相信号的转子位置检测电路图；

图5的(a)为第1种情况下换流阶段和非换流阶段三相电流变化的示意图；

图5的(b)为第2种情况下换流阶段和非换流阶段三相电流变化的示意图；

图6为斩波电路电感电流与换相补偿角的关系示意图；

图7为融合模型与数据驱动的最优换相补偿角在线搜索策略的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法。如图1所示，针对准电源逆变器驱动的高速永磁无刷电机系统，通过协同控制斩波电路和三相桥式逆变桥电路中功率器件的开关状态，实现高速永磁无刷电机驱动控制。其中，斩波电路功率器件的占空比由转速环-电流环级联结构的双环PI控制器确定，即转速环PI控制器和电流环PI控制器，将电机的参考转速和实际转速输入转速环PI控制器中(实际转速根据换相信号估计获得)，转速环PI控制器输出参考电流，将参考电流和电感电流输入电流环PI控制器中，电流环PI控制器输出斩波电路功率器件的占空比，进而将斩波电路功率器件的占空比通过斩波电路驱动脉冲发生器输出功率管开关信号至斩波电路中；三相桥式逆变电路功率器件的开关状态由换相信号确定。

相比于常规转速的电机，准电流源逆变器驱动的高速永磁无刷电机具有基波频率高、绕组电感小等显著特点。在方波电流驱动的三相六步换相方式下，采用脉冲幅度调制PAM方式实现高速永磁无刷电机驱动控制，可以抑制定子电流中由脉冲宽度调制PWM产生的高次谐波。

本发明的融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法包括如下步骤：

1)在方波电流驱动的脉冲幅度调制方式下，构建准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案，寻优方案基于最小斩波电路电感电流追踪。

准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统包括准电流源逆变器和高速永磁无刷电机，准电流源逆变器包括斩波电路和三相桥式逆变电路，斩波电路连接直流输入电压，斩波电路包括第一MOS管、第二MOS管、电感和二极管，第一MOS管和第二MOS管反向串联，第一MOS管的漏极连接直流输入电压的正极，第二MOS管的源极连接直流输入电压的负极，二极管的阴极连接第一MOS管的漏极，二极管的阳极连接电感的一端，第一MOS管和第二MOS管之间引出连接电感的另一端，二极管的阳极和电感之间的引出作为斩波电路的输出正端，第二MOS管的源极连接斩波电路的输出负端；斩波电路的输出正端和输出负端分别连接三相桥式逆变电路的输入正端和输入负端，其中三相桥式逆变电路中的每一相桥臂由两个同向串联的MOS管组成，两个MOS管之间引出连接到各自的高速永磁无刷电机的一相，高速永磁无刷电机连接转子位置检测电路。

步骤1)中，构建的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案，具体为在方波电流驱动的脉冲幅度调制方式下驱动准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统运行，改变准电流源逆变器的斩波电路中的第一MOS管和第二MOS管的导通占空比来控制电感电流i_L，进而调节高速永磁无刷电机的绕组电流幅值；根据电机换相信号确定准电流源逆变器三相桥式逆变电路中功率管的开通和关断时刻，实现电流相位控制；对于准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统，不考虑换流阶段电机相电流的变化，采用斩波电路的电感电流的幅值来反映电机相电流幅值的大小；根据斩波电路电感电流i_L与换相补偿角之间的非线性关系，设计以斩波电路的电感电流幅值为评价指标，高速永磁无刷电机的换相补偿角为自变量的换相补偿角寻优方案，在电机转速、负载转矩一定的工况下，使得在斩波电路的电感电流幅值最小时，高速永磁无刷电机的换相补偿角最优。

如图2所示，为准电流源型逆变器-高速永磁无刷电机系统的等效电路，其中准电流源型逆变器包括斩波电路和三相桥式逆变电路两部分。R和L_s分别表示电机定子绕组的相电阻和等效相电感，e_k、i_k、u_k(k＝a,b,c)分别表示相反电动势、相电流及端电压，其中端电压的参考零电平为O点，N点为电机的中性点。

在PAM方式下，三相桥式逆变电路作为电子换向器，每个电周期内根据换相信号确定逆变桥功率管S_kH、S_kL的开通和关断时刻，实现电流相位控制。斩波电路用于调节逆变桥的输入电流，通过改变功率管S_w1和S_w2的导通占空比来控制电感L₁电流的大小，进而实现电机绕组电流幅值的调节。便于分析，忽略电感L₁的电流纹波，认为其幅值为平均值I_L，相应地电机相电流的稳态值也为I_L。

在方波电流驱动的PAM方式下，对于常规转速的永磁无刷电机，通常在相反电动势的交点即线反电动势过零点的位置控制电机换相，可获得较大的转矩电流比。如图3所示，以线反电动势e_bc为例，基于线反电动势过零点所获得的换相信号H_{c_zcp}如图3中标号①实线所示。然而，对于无位置传感器高速永磁无刷电机，转子位置估计误差、控制回路延迟等因素会引起换相滞后；设滞后角为θ_dly，此时滞后的换相信号

如图3中标号②实线所示。此外，当电机高速运行时，绕组的阻抗特性会导致实际电流相位明显滞后于反电动势，通常在超前于线反电动势过零点的位置控制电机换相，可以提高转矩电流比，设超前角为θ_adv，此时超前的换相信号/>

如图3中标号③实线所示。根据上述分析可知，同时补偿转子位置估计误差、控制回路延迟、绕组的阻抗特性等各种因素的影响，可以有效提高无位置传感器高速永磁无刷电机的转矩电流比，也就说换相补偿角应包含滞后角θ_dly和超前角θ_adv两部分。

根据图3可知，对于无位置传感器高速永磁无刷电机换相控制，可以根据转子位置估计误差、控制回路延迟、绕组的阻抗特性对电流相位滞后的影响机理，基于数学模型计算换相补偿角θ_{comp_mdl}，且θ_{comp_mdl}＝θ_dly+θ_adv。

2)建立准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统在最大转矩电流比条件下的换相补偿角模型，将高速永磁无刷电机的滞后补偿角和超前换相角输入换相补偿角模型中，换相补偿角模型输出高速永磁无刷电机的初始换相补偿角。

步骤2)中，考虑转子位置估计误差、控制回路延时和绕组阻抗特性对电流相位滞后的影响，基于数学模型计算无位置传感器高速永磁无刷电机的换相补偿角，建立的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统在最大转矩电流比条件下的换相补偿角模型，具体如下：

θ_{comp_mdl}＝θ_dly+θ_adv

其中，θ_{comp_mdl}表示高速永磁无刷电机的初始换相补偿角；θ_dly表示高速永磁无刷电机的滞后补偿角；θ_adv表示高速永磁无刷电机的超前换相角。

根据转子位置估计误差、控制回路延时引起换相滞后的机理模型，计算滞后补偿角θ_dly。反电动势法是目前理论相对成熟、应用较为广泛的一种无位置传感器转子位置估计方法。在转子位置检测电路中通常需要采用低通滤波器来处理电压信号，可以消除二极管续流的影响以及高频信号的干扰。通过转子位置检测电路，基于线反电动势过零点获得高速永磁无刷电机的初始换相信号Z_a、Z_b、Z_c。如图4所示，在转子位置检测电路中，高速永磁无刷电机三相端电压分别输入至3路由电阻R₁、电阻R₂和电容C构成的低通滤波电路，任意2路低通滤波电路的输出端分别作为3路差分电路的正、负输入端，3路差分电路分别输出换相信号Z_a、Z_b、Z_c。被检测的电压信号会由于分压低通滤波电路的相频特性产生相移，并且高速永磁无刷电机转速越高，相移角θ_LPF越大。

高速永磁无刷电机的滞后补偿角θ_dly具体如下：

θ_dly＝θ_LPF+θ_s

θ_s＝ωΔt₁

其中，θ_LPF表示转子位置检测电路的分压低通滤波电路产生的相移角；θ_s表示由控制回路延迟产生的换相滞后角；ω表示高速永磁无刷电机的电角速度；R₁和R₂分别表示转子位置检测电路的第一电阻和第二电阻，C表示转子位置检测电路的电容，电阻R₁、R₂和电容C构成转子位置检测电路中的分压低通滤波电路；Δt₁表示控制回路延迟时间，控制回路延迟时间即控制回路中由于数字控制器采样延迟和计算延迟产生的延迟时间。

基于最大化平均电磁功率模型，计算用于补偿定子绕组阻抗特性影响的超前换相角θ_adv，不防设换相前绕组导通模式为a⁺b^-(即电流从a相流入，b相流出)，换相后导通模式为a⁺c^-(即电流从a相流入，c相流出)。如图3所示，从-π/6至π/6定义为一个换相周期，其中c相与b相反电动势交点时刻为t＝0时刻。在一个换相周期内将开通相电流i_c上升至稳态值，且关断相电流i_b下降至零的过程称为换流阶段，反之为非换流阶段。根据换流阶段关断相电流和开通相电流变化率的大小关系，可以将相电流的变化趋势分为两种情况，如图5的(a)和(b)所示。在计算超前换相角θ_adv时，存在两种情况，情况1：U_in＜3E，i_b先下降至零，i_c后上升至稳态值；情况2：U_in≥3E，i_c先上升至稳态值，i_b后下降至零。在这两种相电流变化情况下，根据换流阶段和非换流阶段经耦合磁场传递的电磁能量的数学模型，可以推导获得电机产生最大平均电磁功率时的超前角θ_adv。

高速永磁无刷电机的超前换相角θ_adv具体如下：

其中，ω表示高速永磁无刷电机的电角速度；L_s表示高速永磁无刷电机的等效相电感；I_L表示斩波电路的电感电流i_L的平均值；U_in表示准电流源逆变器的直流输入电压；E表示高速永磁无刷电机的反电动势的幅值。

基于最大化平均电磁功率模型，计算用于补偿定子绕组阻抗特性影响的超前换相角θ_adv。超前角用于补偿绕组的阻抗特性对电流相位滞后的影响。在相电流一定的条件下，以电机产生最大平均电磁功率为原则确定超前角。

在融合模型与数据驱动的换相补偿角寻优方法中，基于数学模型计算的换相补偿角具有实现简单、响应速度快等优点。然而，高速永磁无刷电机系统是一个强耦合的非线性时变系统，难以通过建立精确的数学模型获得最优的换相补偿角，实现电机最大转矩电流比控制。为此，提出一种融合模型与数据驱动的换相补偿角寻优方法。首先，利用数据驱动的思想构建基于最小斩波电路电感电流追踪的换相补偿角寻优方案，将基于模型计算的换相补偿角作为禁忌搜索的初始角，设计融合模型与数据驱动的最优换相补偿角在线搜索策略。

基于数据驱动的控制方法仅利用受控系统的输入、输出数据来设计控制器，不依赖于系统的参数和数学模型。下面利用数据驱动的思想设计基于最小电感电流追踪的换相补偿角寻优方案。对于准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统，不考虑换流阶段电机相电流的变化，则斩波电路电感电流的幅值等于电机相电流的幅值。这里利用斩波电路电感电流i_L与换相补偿角θ_comp之间的非线性关系，获得最优的换相补偿角，可以利用只检测电感电流的单电流传感器实现高速永磁无刷电机驱动控制。图6为斩波电路电感电流与换相补偿角的关系示意图，由图可知在电机转速、负载转矩一定的条件下，有且仅有一个最小电流值i_{L_min}对应最优的换相补偿角θ_{comp_best}。因此，可以设计以检测的斩波电路电感电流幅值为评价指标，换相补偿角为变量的寻优方案，通过在线搜索最优的换相补偿角可以实现最大转矩电流比控制。

3)在步骤1)中的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案下，结合步骤2)中换相补偿角模型输出的初始换相补偿角建立基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略及其具体规则；基于最优换相补偿角在线搜索策略的具体规则，在不同运行工况下动态搜索准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的斩波电路电感电流最小时的最优换相补偿角。

步骤3)中，建立的基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略的具体规则如下：

a)适配值规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，将斩波电路的电感电流幅值作为适配值，利用适配值对当前的最优换相补偿角在线搜索过程进行评价，当适配值最小时搜索到的最优换相补偿角即为当前的最优解x_best，其中不同解x所对应的适配值表示为g(x)。

b)候选解规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，在当前的最优解x_best附近按照均匀分布随机产生邻域，从邻域中随机选取下一次迭代搜索的n个候选解x_near(i)，i＝1,2,…n；移动是从一个解到另一个解的途径，邻域则是从当前的最优解x_best经过移动能够到达的所有解的集合。

c)禁忌表规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，在各个候选解x_near(i)中，选取最小适配值所对应的候选解为最佳候选解x_{near_B}，将当前获得的最佳候选解x_{near_B}和禁忌搜索的禁忌表中的解x_tabu(j)进行比较，j表示禁忌表的禁忌长度，j为正整数，当满足||x_{near_B}-x_tabu(j)||＜δ时，δ表示禁忌参数，δ为很小的正实数，则最佳候选解x_{near_B}在禁忌表中，反之则不在禁忌表中。

禁忌表是用来存放曾经已经搜索访问过的解，避免在搜索中陷入循环和局部最优。禁忌长度是指放置在禁忌表中的对象的禁忌周期，每进行一次迭代，周期就减少一次，直到周期为零时即可解除禁忌。定义判断新解是否在禁忌表中的准则，适应解是连续变化的特性。

d)特赦准则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，获得的当前的最佳候选解x_{near_B}比之前的任意一个最优解x_best更优，即当前的最佳候选解x_{near_B}的适配值小于之前的任意一个最优解x_best的适配值，尽管此时忽略禁忌表的限制，最佳候选解x_{near_B}处于禁忌表中，且禁忌周期不为零，将最佳候选解x_{near_B}从禁忌表是中特赦出来，解除对最佳候选解x_{near_B}的禁忌。

e)终止准则：

终止准则作为最优换相补偿角在线搜索的结束规则，当最优换相补偿角在线搜索执行到预设最大迭代次数Gen_max或者相邻两次迭代搜索的最优适配值的误差小于预设终止误差的情况连续出现N次，则搜索过程结束，此时最优换相补偿角在线搜索输出最优的换相补偿角θ_{comp_best}。

下一次迭代搜索的候选解x_near(i)具体如下：

x_near(i)＝x_best+(2*rand-1)*scale*(x_u-x_l)

其中，x_near(i)表示下一次迭代搜索的第i个候选解；rand表示随机数函数，具体为0到1之间的一个均匀分布的随机数；scale表示平衡算法全局搜索能力和局部搜索能力的可调节参数；x_u和x_l分别表示下一次迭代搜索的第i个候选解x_near(i)的上下边界值。

当下一次迭代搜索的第i个候选解x_near(i)超出上下边界值x_u和x_l，则进行边界处理，具体如下：

其中，

表示边界处理后的下一次迭代搜索的第i个候选解。

步骤3)中，建立的基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略，具体如下：

3.1)首先初始化禁忌搜索的算法参数，包括禁忌表和禁忌长度等，初始时将高速永磁无刷电机在不同运行工况下的初始换相补偿角作为禁忌搜索的初始解x₀，即x₀＝θ_{comp_mdl}，可以提高电机不同运行工况下最优换相补偿角的搜索效率和质量，加快禁忌搜索算法的收敛速度，在初始时最优换相补偿角在线搜索策略的当前最优解x_best等于初始解x₀。

3.2)判断最优换相补偿角在线搜索策略在当前的搜索过程中是否满足禁忌搜索的终止准则，若是，则结束最优换相补偿角在线搜索策略，输出当前最优解x_best，若否，则继续以下步骤。

3.3)根据候选解规则选取n个候选解x_near(i)，并获得各个候选解x_near(i)的适配值g(x_near(i))。

3.4)将各个候选解x_near(i)的适配值g(x_near(i))按照从小到大排序，将适配值最小的候选解x_near(i)作为最佳候选解x_{near_B}。

3.5)根据禁忌表规则判断最佳候选解x_{near_B}是否在禁忌表中，若否，则将该最佳候选解x_{near_B}作为下一次迭代的当前的最优解，即x_best＝x_{near_B}，同时将最佳候选解x_{near_B}加入禁忌表，然后继续步骤3.7)；若是，则继续步骤3.6)。

3.6)根据特赦准则对最佳候选解x_{near_B}进行判断，若不满足特赦准则，则从选取的n个候选解x_near(i)中选出一个不在禁忌表中的次优解作为下一次迭代的最优解，同时更新禁忌表中的对象。

3.7)进行步骤3.2)继续迭代搜索，迭代次数m＝m+1。

禁忌搜索的基本思想可概括为：给定一个当前解(初始解)和一种邻域，然后在当前解的邻域中确定若干候选解；若最佳候选解对应的适配值优于“best so far”状态，则忽视其禁忌特性，将其作为下一次迭代的当前解；若不存在上述候选解，则选择一个不在禁忌表中的较好解作为下一次迭代的当前解，同时将该解加入禁忌表，并修改禁忌表中各对象的任期。如此重复上述迭代搜索过程，直至满足终止准则。

4)通过检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点获得初始换相信号，根据步骤3)中搜索的最优换相补偿角对初始换相信号进行校正获得最终的换相信号，从而实现高速永磁无刷电机的自寻优换相校正。

步骤4)中，通过检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点获得初始换相信号，具体为通过转子位置检测电路检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点，进而获得高速永磁无刷电机的a相初始换相信号Z_a、b相初始换相信号Z_b和c相初始换相信号Z_c。

禁忌搜索是一种全局逐步寻优算法，是对人类智力过程的一种模拟，目前已成功应用于组合优化、机器学习、电路设计等领域。该算法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来避免迂回搜索，并通过特赦准则来赦免一些被禁忌的优良状态。基于禁忌搜索设计换相补偿角寻优方案，可以保证多样化的有效探索以最终实现全局优化。但是，禁忌搜索对初始解有较强的依赖性，好的初始解往往使禁忌搜索算法很快收敛于全局最优解，而较差的初始解会极大降低该算法的收敛速度和寻优精度。由于不同转速、负载转矩条件下，高速永磁无刷电机的最优换相补偿角不同，因此在电机不同运行工况区域内良好的初始解也往往存在较大的差异。将不同工况下基于模型计算的换相补偿角作为禁忌搜索的初始解，可以提高最优换相补偿角的搜索效率和质量，本发明搜索策略如图7所示。

本发明通过上述步骤首先获得了考虑转子位置估计误差、控制回路延时、绕组阻抗特性影响的换相补偿角的解析表达式，然后将基于数学模型计算的换相补偿角作为禁忌搜索的初始解，设计融合模型与数据驱动的换相补偿角动态寻优方案，根据在线搜索到的最优换相补偿角对初始的换相信号进行自校正，实现高速永磁无刷电机最大转矩电流比控制。

综上所述，本发明通过以上步骤可在不同转速、不同负载转矩条件下动态获得基于最大转矩电流比原则的最优换相补偿角，实现高速永磁无刷电机自寻优换相校正，减小电机铜耗、提升电机运行效率，满足多种应用场合的需要。

本发明对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选的示意图。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：方法包括如下步骤：

1)在方波电流驱动的脉冲幅度调制方式下，构建准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案；

2)建立准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统在最大转矩电流比条件下的换相补偿角模型，将高速永磁无刷电机的滞后补偿角和超前换相角输入换相补偿角模型中，换相补偿角模型输出高速永磁无刷电机的初始换相补偿角；

3)在步骤1)中的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案下，结合步骤2)中换相补偿角模型输出的初始换相补偿角建立基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略及其具体规则；基于最优换相补偿角在线搜索策略的具体规则，在不同运行工况下动态搜索准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的斩波电路电感电流最小时的最优换相补偿角；

4)通过检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点获得初始换相信号，根据步骤3)中搜索的最优换相补偿角对初始换相信号进行校正获得最终的换相信号，从而实现高速永磁无刷电机的自寻优换相校正。

2.根据权利要求1所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统包括准电流源逆变器和高速永磁无刷电机，准电流源逆变器包括斩波电路和三相桥式逆变电路，斩波电路连接直流输入电压，斩波电路包括第一MOS管、第二MOS管、电感和二极管，第一MOS管和第二MOS管反向串联，第一MOS管的漏极连接直流输入电压的正极，第二MOS管的源极连接直流输入电压的负极，二极管的阴极连接第一MOS管的漏极，二极管的阳极连接电感的一端，第一MOS管和第二MOS管之间引出连接电感的另一端，二极管的阳极和电感之间的引出作为斩波电路的输出正端，第二MOS管的源极连接斩波电路的输出负端；斩波电路的输出正端和输出负端分别连接三相桥式逆变电路的输入正端和输入负端，其中三相桥式逆变电路中的每一相桥臂由两个同向串联的MOS管组成，两个MOS管之间引出连接到各自的高速永磁无刷电机的一相，高速永磁无刷电机连接转子位置检测电路。

3.根据权利要求2所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的步骤1)中，构建的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统的基于数据驱动的换相补偿角寻优方案，具体为在方波电流驱动的脉冲幅度调制方式下驱动准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统运行，设计以斩波电路的电感电流幅值为评价指标，高速永磁无刷电机的换相补偿角为自变量的换相补偿角寻优方案，使得在斩波电路的电感电流幅值最小时，高速永磁无刷电机的换相补偿角最优。

4.根据权利要求2所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的步骤2)中，建立的准电流源逆变器-高速永磁无刷电机系统在最大转矩电流比条件下的换相补偿角模型，具体如下：

θ_{comp_mdl}＝θ_dly+θ_adv

其中，θ_{comp_mdl}表示高速永磁无刷电机的初始换相补偿角；θ_dly表示高速永磁无刷电机的滞后补偿角；θ_adv表示高速永磁无刷电机的超前换相角。

5.根据权利要求4所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的高速永磁无刷电机的滞后补偿角θ_dly具体如下：

θ_dly＝θ_LPF+θ_s

θ_s＝ωΔt₁

其中，θ_LPF表示转子位置检测电路的分压低通滤波电路产生的相移角；θ_s表示由控制回路延迟产生的换相滞后角；ω表示高速永磁无刷电机的电角速度；R₁和R₂分别表示转子位置检测电路的第一电阻和第二电阻，C表示转子位置检测电路的电容；Δt₁表示控制回路延迟时间。

6.根据权利要求4所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的高速永磁无刷电机的超前换相角θ_adv具体如下：

其中，ω表示高速永磁无刷电机的电角速度；L_s表示高速永磁无刷电机的等效相电感；I_L表示斩波电路的电感电流i_L的平均值；U_in表示准电流源逆变器的直流输入电压；E表示高速永磁无刷电机的反电动势的幅值。

7.根据权利要求2所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的步骤3)中，建立的基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略的具体规则如下：

a)适配值规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，将斩波电路的电感电流幅值作为适配值，利用适配值对当前的最优换相补偿角在线搜索过程进行评价，当适配值最小时搜索到的最优换相补偿角即为当前的最优解x_best；

b)候选解规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，在当前的最优解x_best附近按照均匀分布随机产生邻域，从邻域中随机选取下一次迭代搜索的n个候选解x_near(i)，i＝1,2,…n；

c)禁忌表规则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，在各个候选解x_near(i)中，选取最小适配值所对应的候选解为最佳候选解x_{near_B}，将当前获得的最佳候选解x_{near_B}和禁忌搜索的禁忌表中的解x_tabu(j)进行比较，j表示禁忌表的禁忌长度，j为正整数，当满足||x_{near_B}-x_tabu(j)||＜δ时，δ表示禁忌参数，δ为正实数，则最佳候选解x_{near_B}在禁忌表中，反之则不在禁忌表中；

d)特赦准则：

在最优换相补偿角在线搜索的过程中，获得的当前的最佳候选解x_{near_B}比之前的任意一个最优解x_best更优，即当前的最佳候选解x_{near_B}的适配值小于之前的任意一个最优解x_best的适配值，尽管此时最佳候选解x_{near_B}处于禁忌表中，且禁忌周期不为零，将最佳候选解x_{near_B}从禁忌表是中特赦出来，解除对最佳候选解x_{near_B}的禁忌；

e)终止准则：

终止准则作为最优换相补偿角在线搜索的结束规则，当最优换相补偿角在线搜索执行到预设最大迭代次数Gen_max或者相邻两次迭代搜索的最优适配值的误差小于预设终止误差的情况连续出现N次，则搜索过程结束，此时最优换相补偿角在线搜索输出最优的换相补偿角θ_{comp_best}。

8.根据权利要求7所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的下一次迭代搜索的候选解x_near(i)具体如下：

x_near(i)＝x_best+(2*rand-1)*scale*(x_u-x_l)

其中，x_near(i)表示下一次迭代搜索的第i个候选解；rand表示随机数函数，具体为0到1之间的一个均匀分布的随机数；scale表示可调节参数；x_u和x_l分别表示下一次迭代搜索的第i个候选解x_near(i)的上下边界值；

当下一次迭代搜索的第i个候选解x_near(i)超出上下边界值x_u和x_l，则进行边界处理，具体如下：

其中，

表示边界处理后的下一次迭代搜索的第i个候选解。

9.根据权利要求7所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的步骤3)中，建立的基于禁忌搜索的最优换相补偿角在线搜索策略，具体如下：

3.1)初始时将高速永磁无刷电机在不同运行工况下的初始换相补偿角作为禁忌搜索的初始解x₀，在初始时最优换相补偿角在线搜索策略的当前最优解x_best等于初始解x₀；

3.2)判断最优换相补偿角在线搜索策略在当前的搜索过程中是否满足禁忌搜索的终止准则，若是，则结束最优换相补偿角在线搜索策略，输出当前最优解x_best，若否，则继续以下步骤；

3.3)根据候选解规则选取n个候选解x_near(i)，并获得各个候选解x_near(i)的适配值g(x_near(i))；

3.4)将各个候选解x_near(i)的适配值g(x_near(i))按照从小到大排序，将适配值最小的候选解x_near(i)作为最佳候选解x_{near_B}；

3.5)根据禁忌表规则判断最佳候选解x_{near_B}是否在禁忌表中，若否，则将该最佳候选解x_{near_B}作为下一次迭代的当前的最优解，同时将最佳候选解x_{near_B}加入禁忌表，然后继续步骤3.7)；若是，则继续步骤3.6)；

3.6)根据特赦准则对最佳候选解x_{near_B}进行判断，若不满足特赦准则，则从选取的n个候选解x_near(i)中选出一个不在禁忌表中的次优解作为下一次迭代的最优解，同时更新禁忌表；

3.7)进行步骤3.2)继续迭代搜索。

10.根据权利要求2所述的一种融合模型与数据驱动的高速永磁无刷电机换相校正方法，其特征在于：所述的步骤4)中，通过检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点获得初始换相信号，具体为通过转子位置检测电路检测高速永磁无刷电机线反电动势的过零点，进而获得高速永磁无刷电机的a相初始换相信号Z_a、b相初始换相信号Z_b和c相初始换相信号Z_c。

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