高速無刷直流電機鎖相轉(zhuǎn)速控制器參數(shù)蟻群優(yōu)化
王志強，劉 剛
（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191）
摘要：針對當(dāng)前鎖相速度控制器的參數(shù)整定多采用試驗加試湊的方式由人工進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種以快捕帶為目標(biāo)函數(shù)的鎖相速度控制器新型蟻群參數(shù)優(yōu)化策略。建立了目標(biāo)函數(shù)，推導(dǎo)了蟻群算法鎖相速度控制器參數(shù)優(yōu)化方法，并給出了新算法的具體實現(xiàn)步驟，最后將該優(yōu)化方案用于磁懸浮控制力矩陀螺的高速無刷直流電機速度控制。仿真研究表明，該鎖相速度控制器參數(shù)優(yōu)化策略具有很強的適應(yīng)性、魯棒陛，進(jìn)而通過實驗驗證了該方案的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：蟻群算法；鎖相速度控制；參數(shù)優(yōu)化；高速無刷直流電機；磁懸浮控制力矩陀螺
中圖分類號：tm36 +1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848（2010）06-0054-05
0引 言
在電機調(diào)逮領(lǐng)域，鎖相速度控制技術(shù)在高精度速度控制方面具有獨特的優(yōu)勢，當(dāng)電機的反饋信號和參考頻率信號同步時，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)百分之0 1~0. 02，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)pid控制。電機鎖相控制的研究重點是改善動態(tài)性能和抗干擾性能，其中采用雙模速度控制不僅避免了鑒相器的非線性工作區(qū)，并且能夠獲得良好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度。文獻(xiàn)[2]采用模型參考自適應(yīng)理論動態(tài)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)環(huán)路增益，加快了受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩干擾時電機轉(zhuǎn)速的恢復(fù)過程，兼顧了穩(wěn)態(tài)精度和抗負(fù)載擾動的能力，但文中沒有具體給出鑒頻鑒相增益和低通濾波器時間常數(shù)等環(huán)路參數(shù)的整定方法，而鎖相環(huán)的環(huán)路參數(shù)的選擇，對環(huán)路的性能影h向較大。在實際應(yīng)用中，一般采用試驗加試湊的整定方法，這對運行狀況的適應(yīng)性不能保證，因此，研究和尋求鎖相控制器參數(shù)的自動整定和優(yōu)化方法，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求，成為鎖相調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的重要課題。
蟻群算法是由m．dorigo等提出的一種全新的模擬進(jìn)化算法，在解決旅行商問題、二次分配問題
高速無刷直流電機鎖相轉(zhuǎn)速控制器參數(shù)蟻群優(yōu)化王志強，等等應(yīng)用中表現(xiàn)出相當(dāng)好的性能，該算法采用正反饋搜索機制和啟發(fā)式策略，具有魯棒性強、適于并行處理，對一般函數(shù)優(yōu)化問題性能優(yōu)異，對不連續(xù)、不可微、局部極值點密集的函數(shù)，同樣具有很好的尋優(yōu)能力。本文提出了一種基于蟻群算法的鎖相速度控制器自動整定參數(shù)優(yōu)化方法，給出了具體的優(yōu)化步驟。仿真研究表明，該鎖相速度控制器參數(shù)優(yōu)化策略具有很強的適應(yīng)性和魯棒性，并在磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無刷直流電機上的驗證了該方案的可行性和有效性。
1問題描述
鎖相電機速度控制( plsc)系統(tǒng)主要由鑒頻鑒相器( pfd)、環(huán)路濾波器(lpf)及壓控振蕩器(vc0)等三個基本部件組成，如圖1所示。其中，最為關(guān)鍵的部件是鑒相器，其輸出一般呈現(xiàn)出非線性的特性，只在鎖相環(huán)接近鎖定時才呈現(xiàn)線性比例特性。在電動機鎖相調(diào)速系統(tǒng)中，用轉(zhuǎn)矩控制器、電動機和光電碼盤取代vc0，電動機的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)光電碼盤或霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)化為與電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號，pfd比較參考輸入脈沖信號與光電碼盤或霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的脈沖信號的相位。
電動機的動態(tài)特性使鎖相調(diào)速系統(tǒng)成為比電子鎖相環(huán)高一階的系統(tǒng)，其動態(tài)特性使鎖相調(diào)速系統(tǒng)在性能和要求上與電子鎖相環(huán)有著明顯的不同，與電子鎖相環(huán)相比，鎖相調(diào)速系統(tǒng)時間常數(shù)大、頻率低、調(diào)速范圍寬。因電動機存在大的機械慣量，使系統(tǒng)的帶寬變窄，系統(tǒng)的時問常數(shù)比電子鎖相環(huán)要大得多，系統(tǒng)很難靠頻率牽引作用入鎖。為此本文采用雙模速度控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括速度控制器和轉(zhuǎn)矩控制器兩部分。
速度控制器有兩種模式，pid控制和鎖相控制。當(dāng)速度誤差的****值大于預(yù)先設(shè)定的誤差帶時，只有速度pid控制作用，使電機迅速加速或減速，文中采用了文獻(xiàn)[ 9-11]的pid蟻群優(yōu)化算法對速度pid控制器進(jìn)行參數(shù)整定。當(dāng)速度誤差的****值小于預(yù)先設(shè)定的誤差帶時，轉(zhuǎn)入鎖相控制模式，在穩(wěn)態(tài)只有鎖相控制作用，使系統(tǒng)獲得高的穩(wěn)態(tài)精度。plsc系統(tǒng)在鑒頻鑒相階段的數(shù)學(xué)模型為
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