基于人工蜂群算法永磁同步電機(jī)速度環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高精度永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)速度控制方法，特別是一種永磁同 步電機(jī)速度環(huán)參數(shù)的人工蜂群優(yōu)化方法，屬于高精度交流伺服控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)由于具有體積小，轉(zhuǎn)矩脈動小，功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工 業(yè)自動化控制領(lǐng)域，特別是航空航天、工業(yè)機(jī)器人、特種加工設(shè)備等高精度伺服控制領(lǐng)域。 因此對其調(diào)速性能的要求也越來越高。
[0003] 交流伺服系統(tǒng)普遍采用矢量控制策略，在矢量控制系統(tǒng)中，速度環(huán)用以提高速度 的穩(wěn)定性和快速性，其性能好壞直接影響到整個伺服系統(tǒng)的性能。而工業(yè)現(xiàn)場最常使用的 仍然為PID控制器，其具有算法簡單，魯棒性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)是一個非 線性、強(qiáng)耦合、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)速性能的好壞主要取決于PID控制器參數(shù)的整 定。所謂速度環(huán)參數(shù)整定，即在眾多可能的參數(shù)組合中尋找到一組最優(yōu)的參數(shù)，使交流伺服 系統(tǒng)獲得良好的調(diào)速性能。
[0004] 人工蜂群算法是一種最新發(fā)展的模擬蜜蜂群體尋找優(yōu)良蜜源的仿生智能進(jìn)化算 法。該算法巧妙地將蜜蜂種群分為引領(lǐng)蜂、跟隨蜂、偵查蜂等不同角色，蜜蜂同具體的蜜源 聯(lián)系在一起，蜜源即解空間內(nèi)的所有可能解。蜂群對蜜源的搜索過程為：1、引領(lǐng)蜂和具體的 蜜源聯(lián)系在一起，其發(fā)現(xiàn)蜜源，并通過搖擺舞分享蜜源信息；2、跟隨蜂根據(jù)引領(lǐng)蜂所分享的 信息選擇一個蜜源，并在其附近進(jìn)行采蜜，尋找新蜜源，若搜索到更高適應(yīng)度的蜜源，則跟 隨蜂轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)蜂；3、引領(lǐng)蜂在其前次搜索到的蜜源鄰域附近進(jìn)行多次搜索，當(dāng)多次搜索 仍未找到更高適應(yīng)度的蜜源時，則放棄該蜜源，轉(zhuǎn)變?yōu)閭刹榉?，隨機(jī)搜索新蜜源，當(dāng)其搜索 到高適應(yīng)度的蜜源時又轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)蜂。該算法突出優(yōu)點(diǎn)是在每次迭代過程中都進(jìn)行全局和 局部搜索，不易陷入局部最優(yōu)，且易收斂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了加快永磁同步電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)速度，改善現(xiàn)有的速度控制精 度有限等問題，設(shè)計(jì)一種基于人工蜂群算法的新型控制器，實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)給定速度 的尚精度跟蹤。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于人工蜂群算法的永磁同 步電機(jī)速度環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] 步驟一：利用電流傳感器實(shí)時采集電機(jī)的三相電流信號ia、ib、i。，經(jīng)克拉克變換、 帕克變換后作為矢量控制系統(tǒng)的電流環(huán)的反饋量；利用光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置及 轉(zhuǎn)速信號，并將轉(zhuǎn)速值作為矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)的反饋量；
[0008] 步驟二：將速度環(huán)的反饋值與給定值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果送入人工蜂群優(yōu)化 PID控制器，并將人工蜂群優(yōu)化PID控制器的輸出量作為電機(jī)的q軸的電流給定，同時，電機(jī) 的d軸的電流給定采用i/= 0,其中，人工蜂群優(yōu)化PID控制器的設(shè)計(jì)為：
[0009] 將矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)的待優(yōu)化參數(shù)Kp、Ki和Kd的某一組值看作一個蜜源，將 這三個參數(shù)的取值范圍看作蜂群的搜索空間，記其空間維度為D，蜜蜂種群代數(shù)為n，蜜蜂 總數(shù)為Na，其中，引領(lǐng)蜂規(guī)模為凡，跟隨蜂規(guī)模為Nf，在搜索開始階段，隨機(jī)生成乂個蜜源， 即得到初始解（I,，I25…，且有：
[0010] ⑴
[0011] 式⑴中，Ub和Lb分別為搜索空間的上下限，je{1，2,…，D}為被優(yōu)化參數(shù)組 成的D維解向量的某個分量；
[0012]再計(jì)算各個解的適應(yīng)度，將排名前^的解作為初始代引領(lǐng)蜂種群X(O)，對于第n 代的引領(lǐng)蜂XiOihie{1，2,…，NJ，在蜜源i位置進(jìn)行鄰域搜索，即有：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于人工蜂群算法的永磁同步電機(jī)速度環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包 括以下步驟： 步驟一：利用電流傳感器實(shí)時采集電機(jī)的三相電流信號ia、ib、i。，經(jīng)克拉克變換、帕克 變換后作為矢量控制系統(tǒng)的電流環(huán)的反饋量；利用光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速 信號，并將轉(zhuǎn)速值作為矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)的反饋量； 步驟二：將速度環(huán)的反饋值與給定值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果送入人工蜂群優(yōu)化PID控 制器，并將人工蜂群優(yōu)化PID控制器的輸出量作為電機(jī)的q軸的電流給定，同時，電機(jī)的d 軸的電流給定采用i/= 〇,其中，人工蜂群優(yōu)化PID控制器的設(shè)計(jì)為： 將矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)的待優(yōu)化參數(shù)Kp、Ki和Kd的某一組值看作一個蜜源，將這三 個參數(shù)的取值范圍看作蜂群的搜索空間，記其空間維度為D，蜜蜂種群代數(shù)為n，蜜蜂總數(shù) 為Na，其中，引領(lǐng)蜂規(guī)模為Ne，跟隨蜂規(guī)模為Nf，在搜索開始階段，隨機(jī)生成N a個蜜源，即得 到初始解（Ip I2*…，Iw」）》且有：
式⑴中，Ub和Lb分別為搜索空間的上下限，j e {1，2, ···，0}為被優(yōu)化參數(shù)組成的 D維解向量的某個分量； 再計(jì)算各個解的適應(yīng)度，將排名前Ne的解作為初始代引領(lǐng)蜂種群X(O)，對于第η代的 引領(lǐng)蜂Xi(n)，ie {1，2,…，凡}，在蜜源i位置進(jìn)行鄰域搜索，即有：
式（2)中，1為在[1，D]內(nèi)的一個隨機(jī)整數(shù)，表示引領(lǐng)蜂隨機(jī)選擇某一維進(jìn)行搜索， ke {1，2,…，Ne}，隨機(jī)生成且k乒l，f/為[_1，1]之間的隨機(jī)數(shù)，且須保證生成的V在解 空間內(nèi)； 采用貪婪選擇法在蜜源VJPXi*選取較優(yōu)適應(yīng)度的蜜源保留至下一代種群，當(dāng)所有引 領(lǐng)蜂完成式（2)的搜索后將蜜源信息共享，接著，各跟隨蜂按照引領(lǐng)蜂種群適應(yīng)度值選擇 一個引領(lǐng)蜂，并同樣對其鄰域進(jìn)行搜索，選擇概率為：
式（3)中，f (Xi)為第i個蜜源的適應(yīng)度值； 若某只引領(lǐng)蜂在其周圍搜索次數(shù)times達(dá)到一定閾值Limit仍未找到更優(yōu)解，則放棄 該蜜源，對應(yīng)的引領(lǐng)蜂轉(zhuǎn)變?yōu)閭刹榉?，同時重新初始化該引領(lǐng)蜂對應(yīng)的蜜源，BP :
步驟三：將步驟二中的電流給定與步驟一中的電流環(huán)的反饋量比較后送入PI控制器， 獲得定子電壓的d軸分量Ud及q軸分量u ,，經(jīng)帕克逆變換和SVPWM模塊后驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工蜂群算法的永磁同步電機(jī)速度環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化 方法，其特征在于，采用包含超調(diào)懲罰項(xiàng)的適應(yīng)度函數(shù)f(t)來評價矢量控制系統(tǒng)中速度環(huán) 控制參數(shù)是否最優(yōu)，該適應(yīng)度函數(shù)f(t)包括時間乘以誤差絕對值積分性能指標(biāo)ITAE和系 統(tǒng)超調(diào)量Mp，即：
式中，t為時間，e(t)為速度誤差，α、β分別為 懲罰權(quán)值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于人工蜂群算法的永磁同步電機(jī)速度環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化方法，其利用人工蜂群PID控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID控制器，自動實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定，并施加到永磁交流矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)中，實(shí)現(xiàn)對交流伺服系統(tǒng)速度的精確跟蹤。該方法具體包括：將待整定參數(shù)看作蜜源，利用蜂群特有的角色轉(zhuǎn)變機(jī)制搜索最優(yōu)參數(shù)組合。為了判斷蜜源是否最優(yōu)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了包含超調(diào)懲罰項(xiàng)的適應(yīng)度函數(shù)。與傳統(tǒng)PID控制器相比，本發(fā)明可以有效改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)速度的無超調(diào)控制。
【IPC分類】H02P21-00
【公開號】CN104852654
【申請?zhí)枴緾N201510099931
【發(fā)明人】周武能, 蔡超, 劉峙飛, 王嘉寧, 柳鑫, 田波, 丁曹凱, 王菊平
【申請人】東華大學(xué), 上海鮑麥克斯電子科技有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年3月6日