同步磁阻電機 的優化控制器結構設計

同步磁阻電機 (SynRM) 的優化控制器結構設計。控制器參數的優化基于新改進的 BAT 優化算法 (mBAT)。SynRM 用同步電機的非線性動态模型表示。在使用 mBAT 進行控制器設計和優化過程時，會考慮 SynRM 收集的所有非線性因素。提出了一種具有改進的魯棒擾動觀測器 (mRDO) 的新型 SynRM 控制器結構。修改後的 mRDO 可确保更高水平的穩定裕度、高效的幹擾抑制，并實現透明的控制器參數化和優化。控制器合成基于穩健的 ℋ ∞極點配置技術。ℋ∞ _穩健的标準以譜多項式及其強正性條件的形式呈現。頻譜多項式 (SP) 可以直接用作 mBAT 優化過程中的目标函數。mBAT 算法，根據派生的 SP，引入了一種新的方法來自适應加權函數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指數穩定性的啟發。提議的 mBAT 修改顯着提高了給定優化問題的效率。

       由于供應有限，高效永磁體 (PM) 的價格不斷上漲，這重新喚起了人們對同步交流電機的極大興趣。近年來，同步磁阻電機 (SynRM) 已成為混合動力和電動汽車、跟蹤系統以及各種工業和家庭應用中大功率機器的普遍推進技術。特别是考慮到轉子設計的最新改進以及具有高計算能力的低成本嵌入式系統的普遍存在，SynRM 如今是感應電機 (IM) 和永磁同步電機 (PMSM) 的可行替代方案. 這種機器的主要優點是生産成本較低，因為它們的生産不需要昂貴的材料。理論上，

       然而，由于直軸和交軸的不同磁特性，SynRM 的數學描述包括複雜的動态方程 [6]、[7]。衆所周知，磁鍊特性取決于兩個軸上的電流i d、i q，以及考慮到單個電機旋轉的當前轉子位置 [8]。電機的閉環運行需要矢量控制方法，其中需要轉子位置數據。

       最近的大部分研究都是在更好地利用同步操作原理的領域進行的。因此，物理轉子角度測量可以用基于近似磁通計算的估計技術代替。無傳感器轉子角度估計通常可以分為高速和低速運行條件下的估計，這兩種情況之間的界限有些不明确和模糊。由于上述缺點，高效跟蹤系統需要可靠的轉子角度測量才能可靠運行，物理傳感器或多或少可以保證這一點。本論文完全側重于 SynRM 高效反饋控制器設計。所提出的方法也可以用于具有間接角度測量的系統，其中唯一的條件是可靠的轉子角度估計。許多研究人員在他們的反饋控制器設計中使用簡化的線性模型，粗略估計 SynRM 的标稱值。其原因在于非線性動力學的高度複雜性。在許多情況下，實際電機參數的估計既費時又困難。識别過程通常結合模拟和實驗結果 [8]。考慮到飽和度，SynRM 電氣參數非常敏感。正交軸之間的交叉耦合取決于飽和度，而電機轉矩脈動取決于電機的機械結構 - 電樞開槽 [8]。電樞開槽會降低電機在低速時的性能。為了實現高效的跟蹤系統，

       為将所有這些因素考慮在内，SynRM 的電氣參數采用有限元法 (FEM) 方法确定。FEM 建模過程不是本文的主要主題，本文不會詳細讨論。将僅提供 SynRM 模型實現的非線性電氣參數。

       該方法的新穎之處在于基于從 FEM 仿真中收集的參數變化的精确知識，設計出一種最優的魯棒控制器。該方法的主要優點是可以根據魯棒控制範例和模型參數變化的詳細知識設計先進可靠的控制器結構。最近的研究表明，如果需要 SynRM 控制系統的高效率，SynRM 的高度複雜性和非線性需要複雜的控制器結構。最近的先進方法利用模型參考自适應系統 (MRAS) 控制方案或扭矩模型參考自适應系統 (TMRAS) 控制方案。這兩種方案主要用于轉子速度估計的無傳感器應用，其中主要使用經典的 PI 控制結構。控制理論表明，經典的控制器結構無法正确處理系統在整個運行區域的非線性動态。MRAS 和 TMRAS 方法在磁通和轉矩估計方面具有許多優勢，并且如果使用精确參考模型 (RM)，理論上非常有效。RM 方法在控制器設計方面具有巨大潛力，但由于電機的複雜性和高度非線性，在許多情況下主要應用線性模型。在這種情況下，線性模型隻能覆蓋整個非線性動态的一小部分。因此，所提出的 SynRM 控制結構引入了可靠的魯棒控制器結構設計，同時考慮了 SynRM 參數不确定性和動态偏差的詳細知識。

      控制結構分為三個階段。第一階段包括dq軸的電流轉矩控制器設計。電流控制器的設計采用中提出的穩健極點布置方法。控制器設計的主要目标是在考慮 SynRM 電氣參數不确定性的情況下确保雙軸電流控制的高穩定性和足夠的動态性。第一階段對于進一步的分析和設計至關重要。第二階段涵蓋q上的控制器設計-axis，其中設計了帶有速度控制器的魯棒修正擾動觀測器 (mRDO)。mRDO 基于中提出的修改後的結構，源自穩健的内部補償器 (RIC)。RIC 技術涉及兩個階段的設計過程。第一階段包括具有确保魯棒性的内部控制器設計，而第二階段包括外部控制器設計，以提供反饋系統的完整動态。RIC 方法主要使用具有純積分作用 (IA) 的經典低階控制器結構。IA 改善了幹擾抑制特性，但另一方面會導緻整個反饋系統的穩定性問題和更差的動态特性 [24]。所提出的 mRDO 的主要優點是改進了整個反饋系統的穩定區域，避免了控制器結構中的純 IA 效應。此外，mRDO 的第二個優勢是對經典 RIC 結構的重構，其中外部反饋分支被額外的内部環路取代。額外的内部循環允許更透明的控制器結構和控制器參數化。控制器結構中的近似 IA 效應是使用所提出的改進 BAT 算法 (mBAT) 優化過程的關鍵主題之一。本文稍後将對 mBAT 修改和 mRDO 控制器優化進行更詳細的讨論。mRDO 的内部電流和速度控制器旨在克服上述經典 RIC 的缺點。mRDO 結構的優化過程依賴于譜多項式 (SP) 的正性條件。SP 函數具有拟凸特性，并根據魯棒穩定性和閉環動态性能特征用度量 ℋ 來描述閉環特性∞[23]。使用元啟發式搜索和進化算法可以有效地解決準凸和非凸優化問題。SP 評估的主要起點是使用魯棒極點配置技術 (PP) 的控制器參數化，這在某些方面類似于衆所周知的 Youla-Kucera 參數化。PP 技術允許固定控制器結構設計，具有透明的閉環極點位置和對系統行為的已知影響，例如幹擾抑制跟蹤能力、魯棒性等。SynRM 控制器設計的最後一步是采用 PP 技術的穩健位置控制器和具有嚴格正性條件的優化。位置控制器設計用于以低頻跟蹤位置參考信号。

       直接來自性能和PP技術。這種方法允許簡單有效的閉環動态和穩健性優化過程。優化基于測試 SP 的非負性條件。因此，使用了 BAT 啟發的優化算法。許多研究已經讨論了 BAT 啟發式優化技術。該算法的效率有很多證據，并且已經提出了對該方法進行修改和改進的許多可能性。BAT 算法的主要優點是結構簡單，收斂速度快，适用于中小型優化問題。本文針對給定的 SynRM 控制問題介紹了 BAT 的新附加修改。新的修改依賴于反饋系統方法，其中計算人口中每個樣本的預期位置和當前位置之間的位置誤差。期望值可以選擇為期望解的區間值，也可以選擇為整個種群中當前目标函數值最好的樣本。位置誤差作為 BAT 速度公式中的導數應用。考慮到 SP 的準凸性質，不必擔心期望值會導緻錯誤的解決方案或局部最小值陷阱。考慮到 Lyapunov 穩定性和 SPs-QC 特性，還引入了一種新的自适應指數加權函數。權重函數根據當前解的成功與樣本目标函數值不斷适配。指數加權函數提高了收斂速度，确保樣本到最終解的路徑更平滑，最終值的波動更小。最終值可以某種方式解釋為李亞普諾夫穩定性的動态系統的平衡點。在本案例中，提供更簡單的非複雜目标函數，可在 BAT 算法中有效使用。由此類多項式組成的目标函數不需要額外的證明工具來保持反饋穩定性、控制器穩定性、提供更簡單的非複雜目标函數，可以在 BAT 算法中有效使用。由此類多項式組成的目标函數不需要額外的證明工具來保持反饋穩定性、控制器穩定性、提供更簡單的非複雜目标函數，可以在 BAT 算法中有效使用。由此類多項式組成的目标函數不需要額外的證明工具來保持反饋穩定性、控制器穩定性、ℋ∞規範評估、動态特性等。所有設計标準都可以在 SP 的非負性條件下進行評估和實現。SP 标準表示為簡單的準凸多項式，其中 SP 的正最小值表示給定優化問題的解。

       第二部分簡要介紹非線性動态和 SynRM 電機的建模。第三部分介紹了對用于 SynRM 位置控制的拟議 mRDO 結構的推導和分析。為了給定問題更好的透明度和清晰度，附錄 A 和 B 中介紹了從 ℋ ∞魯棒穩定性标準對 SP 多項式的額外推導。第四節介紹了對 BAT 的修改，其中對 SP 進行了優化程序。第五部分描述了 SynRM 位置系統的 mRDO 綜合示例、控制器設計的評估以及具有類似優化算法的控制器設計的比較示例。随後是進一步研究的結論和指南。

      SynRM 的動态模型可以在自然abc或公共轉子dq0參考系中以一般形式呈現。本節僅讨論必要的數學建模細節和參數不确定性，這在 mRDO 設計過程中很重要。可以找到 SynRM 建模和電機動力學的更詳細解釋。出于反饋控制器設計的目的，僅在dq0參考中具有獨立狀态變量的動态模型

       根據SynRM的非線性動力學特性，介紹了新穎的控制器結構和控制器設計。控制器設計分為三個階段。第一階段需要為d和q軸設計電流控制器。第二階段需要新穎的改進擾動觀測器架構和轉子速度控制器設計，具有近似積分行為。最後階段包括位置控制器設計。整體控制器結構。

       穩健準則的優化基于範數 ℋ ∞的性質。當使用具有幾乎相同重要屬性的目标函數時，多準則優化技術最為重要。即使是具有魯棒性條件的多項式也可以直接用作啟發式優化算法中的目标函數。本文提出了一種多目标優化程序，采用 BAT 啟發的優化算法。

控制器結構分配的第一步是電流控制器設計。電氣部分的實際标稱 SynRM 參數如表 1 所示。電機标稱值根據固定電流和角度值選擇，i d  = 1.8 A，i q  = 1 A，披=0°.

      不确定性權重丁在一世d,一世q考慮到圖 7 中的L d和q特性以及電阻R可以變化标稱值的 34% 的假設。在一世d=0.4798×秒3+

      本文介紹了使用 SynRM 定位系統的 mRDO 結構設計。SynRM 型機器不常用于此類應用，尤其是在工業環境中。然而，所呈現的結果表明，使用這種先進的控制器結構，SynRM 跟蹤位置系統可以成為使用 PM 電機的定位系統的可行替代方案，特别是考慮到電機的廉價材料和結構。使用多項式方法的控制器設計。