同步磁阻電機(jī) (SynRM) 的優(yōu)化控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？刂破鲄?shù)的優(yōu)化基于新改進(jìn)的 BAT 優(yōu)化算法 (mBAT)。SynRM 用同步電機(jī)的非線性動(dòng)態(tài)模型表示。在使用 mBAT 進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程時(shí)，會(huì)考慮 SynRM 收集的所有非線性因素。提出了一種具有改進(jìn)的魯棒擾動(dòng)觀測(cè)器 (mRDO) 的新型 SynRM 控制器結(jié)構(gòu)。修改后的 mRDO 可確保更高水平的穩(wěn)定裕度、高效的干擾抑制，并實(shí)現(xiàn)透明的控制器參數(shù)化和優(yōu)化?？刂破骱铣苫诜€(wěn)健的 ? ∞極點(diǎn)配置技術(shù)。?∞ _穩(wěn)健的標(biāo)準(zhǔn)以譜多項(xiàng)式及其強(qiáng)正性條件的形式呈現(xiàn)。頻譜多項(xiàng)式 (SP) 可以直接用作 mBAT 優(yōu)化過(guò)程中的目標(biāo)函數(shù)。mBAT 算法，根據(jù)派生的 SP，引入了一種新的方法來(lái)自適應(yīng)加權(quán)函數(shù)選擇和修改位置公式中的 BAT 速度。BAT算法的新修改是受反饋控制理論和Lyapunov指數(shù)穩(wěn)定性的啟發(fā)。提議的 mBAT 修改顯著提高了給定優(yōu)化問(wèn)題的效率。

       由于供應(yīng)有限，高效永磁體 (PM) 的價(jià)格不斷上漲，這重新喚起了人們對(duì)同步交流電機(jī)的極大興趣。近年來(lái)，同步磁阻電機(jī) (SynRM) 已成為混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車、跟蹤系統(tǒng)以及各種工業(yè)和家庭應(yīng)用中大功率機(jī)器的普遍推進(jìn)技術(shù)。特別是考慮到轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的最新改進(jìn)以及具有高計(jì)算能力的低成本嵌入式系統(tǒng)的普遍存在，SynRM 如今是感應(yīng)電機(jī) (IM) 和永磁同步電機(jī) (PMSM) 的可行替代方案. 這種機(jī)器的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本較低，因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)不需要昂貴的材料。理論上，

       然而，由于直軸和交軸的不同磁特性，SynRM 的數(shù)學(xué)描述包括復(fù)雜的動(dòng)態(tài)方程 [6]、[7]。眾所周知，磁鏈特性取決于兩個(gè)軸上的電流i d、i q，以及考慮到單個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置 [8]。電機(jī)的閉環(huán)運(yùn)行需要矢量控制方法，其中需要轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。

       最近的大部分研究都是在更好地利用同步操作原理的領(lǐng)域進(jìn)行的。因此，物理轉(zhuǎn)子角度測(cè)量可以用基于近似磁通計(jì)算的估計(jì)技術(shù)代替。無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子角度估計(jì)通?？梢苑譃楦咚俸偷退龠\(yùn)行條件下的估計(jì)，這兩種情況之間的界限有些不明確和模糊。由于上述缺點(diǎn)，高效跟蹤系統(tǒng)需要可靠的轉(zhuǎn)子角度測(cè)量才能可靠運(yùn)行，物理傳感器或多或少可以保證這一點(diǎn)。本論文完全側(cè)重于 SynRM 高效反饋控制器設(shè)計(jì)。所提出的方法也可以用于具有間接角度測(cè)量的系統(tǒng)，其中唯一的條件是可靠的轉(zhuǎn)子角度估計(jì)。許多研究人員在他們的反饋控制器設(shè)計(jì)中使用簡(jiǎn)化的線性模型，粗略估計(jì) SynRM 的標(biāo)稱值。其原因在于非線性動(dòng)力學(xué)的高度復(fù)雜性。在許多情況下，實(shí)際電機(jī)參數(shù)的估計(jì)既費(fèi)時(shí)又困難。識(shí)別過(guò)程通常結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [8]。考慮到飽和度，SynRM 電氣參數(shù)非常敏感。正交軸之間的交叉耦合取決于飽和度，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)取決于電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) - 電樞開槽 [8]。電樞開槽會(huì)降低電機(jī)在低速時(shí)的性能。為了實(shí)現(xiàn)高效的跟蹤系統(tǒng)，

       為將所有這些因素考慮在內(nèi)，SynRM 的電氣參數(shù)采用有限元法 (FEM) 方法確定。FEM 建模過(guò)程不是本文的主要主題，本文不會(huì)詳細(xì)討論。將僅提供 SynRM 模型實(shí)現(xiàn)的非線性電氣參數(shù)。

       該方法的新穎之處在于基于從 FEM 仿真中收集的參數(shù)變化的精確知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種最優(yōu)的魯棒控制器。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)魯棒控制范例和模型參數(shù)變化的詳細(xì)知識(shí)設(shè)計(jì)先進(jìn)可靠的控制器結(jié)構(gòu)。最近的研究表明，如果需要 SynRM 控制系統(tǒng)的高效率，SynRM 的高度復(fù)雜性和非線性需要復(fù)雜的控制器結(jié)構(gòu)。最近的先進(jìn)方法利用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) (MRAS) 控制方案或扭矩模型參考自適應(yīng)系統(tǒng) (TMRAS) 控制方案。這兩種方案主要用于轉(zhuǎn)子速度估計(jì)的無(wú)傳感器應(yīng)用，其中主要使用經(jīng)典的 PI 控制結(jié)構(gòu)?？刂评碚摫砻?，經(jīng)典的控制器結(jié)構(gòu)無(wú)法正確處理系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行區(qū)域的非線性動(dòng)態(tài)。MRAS 和 TMRAS 方法在磁通和轉(zhuǎn)矩估計(jì)方面具有許多優(yōu)勢(shì)，并且如果使用精確參考模型 (RM)，理論上非常有效。RM 方法在控制器設(shè)計(jì)方面具有巨大潛力，但由于電機(jī)的復(fù)雜性和高度非線性，在許多情況下主要應(yīng)用線性模型。在這種情況下，線性模型只能覆蓋整個(gè)非線性動(dòng)態(tài)的一小部分。因此，所提出的 SynRM 控制結(jié)構(gòu)引入了可靠的魯棒控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮了 SynRM 參數(shù)不確定性和動(dòng)態(tài)偏差的詳細(xì)知識(shí)。

      控制結(jié)構(gòu)分為三個(gè)階段。第一階段包括dq軸的電流轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計(jì)。電流控制器的設(shè)計(jì)采用中提出的穩(wěn)健極點(diǎn)布置方法?？刂破髟O(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在考慮 SynRM 電氣參數(shù)不確定性的情況下確保雙軸電流控制的高穩(wěn)定性和足夠的動(dòng)態(tài)性。第一階段對(duì)于進(jìn)一步的分析和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。第二階段涵蓋q上的控制器設(shè)計(jì)-axis，其中設(shè)計(jì)了帶有速度控制器的魯棒修正擾動(dòng)觀測(cè)器 (mRDO)。mRDO 基于中提出的修改后的結(jié)構(gòu)，源自穩(wěn)健的內(nèi)部補(bǔ)償器 (RIC)。RIC 技術(shù)涉及兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)過(guò)程。第一階段包括具有確保魯棒性的內(nèi)部控制器設(shè)計(jì)，而第二階段包括外部控制器設(shè)計(jì)，以提供反饋系統(tǒng)的完整動(dòng)態(tài)。RIC 方法主要使用具有純積分作用 (IA) 的經(jīng)典低階控制器結(jié)構(gòu)。IA 改善了干擾抑制特性，但另一方面會(huì)導(dǎo)致整個(gè)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題和更差的動(dòng)態(tài)特性 [24]。所提出的 mRDO 的主要優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了整個(gè)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域，避免了控制器結(jié)構(gòu)中的純 IA 效應(yīng)。此外，mRDO 的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是對(duì)經(jīng)典 RIC 結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，其中外部反饋分支被額外的內(nèi)部環(huán)路取代。額外的內(nèi)部循環(huán)允許更透明的控制器結(jié)構(gòu)和控制器參數(shù)化。控制器結(jié)構(gòu)中的近似 IA 效應(yīng)是使用所提出的改進(jìn) BAT 算法 (mBAT) 優(yōu)化過(guò)程的關(guān)鍵主題之一。本文稍后將對(duì) mBAT 修改和 mRDO 控制器優(yōu)化進(jìn)行更詳細(xì)的討論。mRDO 的內(nèi)部電流和速度控制器旨在克服上述經(jīng)典 RIC 的缺點(diǎn)。mRDO 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程依賴于譜多項(xiàng)式 (SP) 的正性條件。SP 函數(shù)具有擬凸特性，并根據(jù)魯棒穩(wěn)定性和閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能特征用度量 ? 來(lái)描述閉環(huán)特性∞[23]。使用元啟發(fā)式搜索和進(jìn)化算法可以有效地解決準(zhǔn)凸和非凸優(yōu)化問(wèn)題。SP 評(píng)估的主要起點(diǎn)是使用魯棒極點(diǎn)配置技術(shù) (PP) 的控制器參數(shù)化，這在某些方面類似于眾所周知的 Youla-Kucera 參數(shù)化。PP 技術(shù)允許固定控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有透明的閉環(huán)極點(diǎn)位置和對(duì)系統(tǒng)行為的已知影響，例如干擾抑制跟蹤能力、魯棒性等。SynRM 控制器設(shè)計(jì)的最后一步是采用 PP 技術(shù)的穩(wěn)健位置控制器和具有嚴(yán)格正性條件的優(yōu)化。位置控制器設(shè)計(jì)用于以低頻跟蹤位置參考信號(hào)。

       直接來(lái)自性能和PP技術(shù)。這種方法允許簡(jiǎn)單有效的閉環(huán)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)健性優(yōu)化過(guò)程。優(yōu)化基于測(cè)試 SP 的非負(fù)性條件。因此，使用了 BAT 啟發(fā)的優(yōu)化算法。許多研究已經(jīng)討論了 BAT 啟發(fā)式優(yōu)化技術(shù)。該算法的效率有很多證據(jù)，并且已經(jīng)提出了對(duì)該方法進(jìn)行修改和改進(jìn)的許多可能性。BAT 算法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，收斂速度快，適用于中小型優(yōu)化問(wèn)題。本文針對(duì)給定的 SynRM 控制問(wèn)題介紹了 BAT 的新附加修改。新的修改依賴于反饋系統(tǒng)方法，其中計(jì)算人口中每個(gè)樣本的預(yù)期位置和當(dāng)前位置之間的位置誤差。期望值可以選擇為期望解的區(qū)間值，也可以選擇為整個(gè)種群中當(dāng)前目標(biāo)函數(shù)值最好的樣本。位置誤差作為 BAT 速度公式中的導(dǎo)數(shù)應(yīng)用?？紤]到 SP 的準(zhǔn)凸性質(zhì)，不必?fù)?dān)心期望值會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的解決方案或局部最小值陷阱。考慮到 Lyapunov 穩(wěn)定性和 SPs-QC 特性，還引入了一種新的自適應(yīng)指數(shù)加權(quán)函數(shù)。權(quán)重函數(shù)根據(jù)當(dāng)前解的成功與樣本目標(biāo)函數(shù)值不斷適配。指數(shù)加權(quán)函數(shù)提高了收斂速度，確保樣本到最終解的路徑更平滑，最終值的波動(dòng)更小。最終值可以某種方式解釋為李亞普諾夫穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)。在本案例中，提供更簡(jiǎn)單的非復(fù)雜目標(biāo)函數(shù)，可在 BAT 算法中有效使用。由此類多項(xiàng)式組成的目標(biāo)函數(shù)不需要額外的證明工具來(lái)保持反饋穩(wěn)定性、控制器穩(wěn)定性、提供更簡(jiǎn)單的非復(fù)雜目標(biāo)函數(shù)，可以在 BAT 算法中有效使用。由此類多項(xiàng)式組成的目標(biāo)函數(shù)不需要額外的證明工具來(lái)保持反饋穩(wěn)定性、控制器穩(wěn)定性、提供更簡(jiǎn)單的非復(fù)雜目標(biāo)函數(shù)，可以在 BAT 算法中有效使用。由此類多項(xiàng)式組成的目標(biāo)函數(shù)不需要額外的證明工具來(lái)保持反饋穩(wěn)定性、控制器穩(wěn)定性、?∞規(guī)范評(píng)估、動(dòng)態(tài)特性等。所有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都可以在 SP 的非負(fù)性條件下進(jìn)行評(píng)估和實(shí)現(xiàn)。SP 標(biāo)準(zhǔn)表示為簡(jiǎn)單的準(zhǔn)凸多項(xiàng)式，其中 SP 的正最小值表示給定優(yōu)化問(wèn)題的解。

       第二部分簡(jiǎn)要介紹非線性動(dòng)態(tài)和 SynRM 電機(jī)的建模。第三部分介紹了對(duì)用于 SynRM 位置控制的擬議 mRDO 結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)和分析。為了給定問(wèn)題更好的透明度和清晰度，附錄 A 和 B 中介紹了從 ? ∞魯棒穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)對(duì) SP 多項(xiàng)式的額外推導(dǎo)。第四節(jié)介紹了對(duì) BAT 的修改，其中對(duì) SP 進(jìn)行了優(yōu)化程序。第五部分描述了 SynRM 位置系統(tǒng)的 mRDO 綜合示例、控制器設(shè)計(jì)的評(píng)估以及具有類似優(yōu)化算法的控制器設(shè)計(jì)的比較示例。隨后是進(jìn)一步研究的結(jié)論和指南。

      SynRM 的動(dòng)態(tài)模型可以在自然abc或公共轉(zhuǎn)子dq0參考系中以一般形式呈現(xiàn)。本節(jié)僅討論必要的數(shù)學(xué)建模細(xì)節(jié)和參數(shù)不確定性，這在 mRDO 設(shè)計(jì)過(guò)程中很重要?？梢哉业?span> SynRM 建模和電機(jī)動(dòng)力學(xué)的更詳細(xì)解釋。出于反饋控制器設(shè)計(jì)的目的，僅在dq0參考中具有獨(dú)立狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)模型

       根據(jù)SynRM的非線性動(dòng)力學(xué)特性，介紹了新穎的控制器結(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計(jì)?？刂破髟O(shè)計(jì)分為三個(gè)階段。第一階段需要為d和q軸設(shè)計(jì)電流控制器。第二階段需要新穎的改進(jìn)擾動(dòng)觀測(cè)器架構(gòu)和轉(zhuǎn)子速度控制器設(shè)計(jì)，具有近似積分行為。最后階段包括位置控制器設(shè)計(jì)。整體控制器結(jié)構(gòu)。

       穩(wěn)健準(zhǔn)則的優(yōu)化基于范數(shù) ? ∞的性質(zhì)。當(dāng)使用具有幾乎相同重要屬性的目標(biāo)函數(shù)時(shí)，多準(zhǔn)則優(yōu)化技術(shù)最為重要。即使是具有魯棒性條件的多項(xiàng)式也可以直接用作啟發(fā)式優(yōu)化算法中的目標(biāo)函數(shù)。本文提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化程序，采用 BAT 啟發(fā)的優(yōu)化算法。

控制器結(jié)構(gòu)分配的第一步是電流控制器設(shè)計(jì)。電氣部分的實(shí)際標(biāo)稱 SynRM 參數(shù)如表 1 所示。電機(jī)標(biāo)稱值根據(jù)固定電流和角度值選擇，i d ?= 1.8 A，i q ?= 1 A，披=0°.

      不確定性權(quán)重丁在一世d,一世q考慮到圖 7 中的L d和q特性以及電阻R可以變化標(biāo)稱值的 34% 的假設(shè)。在一世d=0.4798×秒3+

      本文介紹了使用 SynRM 定位系統(tǒng)的 mRDO 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。SynRM 型機(jī)器不常用于此類應(yīng)用，尤其是在工業(yè)環(huán)境中。然而，所呈現(xiàn)的結(jié)果表明，使用這種先進(jìn)的控制器結(jié)構(gòu)，SynRM 跟蹤位置系統(tǒng)可以成為使用 PM 電機(jī)的定位系統(tǒng)的可行替代方案，特別是考慮到電機(jī)的廉價(jià)材料和結(jié)構(gòu)。使用多項(xiàng)式方法的控制器設(shè)計(jì)。