同步磁阻电机 的优化控制器结构设计

同步磁阻电机 (SynRM) 的优化控制器结构设计。控制器参数的优化基于新改进的 BAT 优化算法 (mBAT)。SynRM 用同步电机的非线性动态模型表示。在使用 mBAT 进行控制器设计和优化过程时，会考虑 SynRM 收集的所有非线性因素。提出了一种具有改进的鲁棒扰动观测器 (mRDO) 的新型 SynRM 控制器结构。修改后的 mRDO 可确保更高水平的稳定裕度、高效的干扰抑制，并实现透明的控制器参数化和优化。控制器合成基于稳健的 ℋ ∞极点配置技术。ℋ∞ _稳健的标准以谱多项式及其强正性条件的形式呈现。频谱多项式 (SP) 可以直接用作 mBAT 优化过程中的目标函数。mBAT 算法，根据派生的 SP，引入了一种新的方法来自适应加权函数选择和修改位置公式中的 BAT 速度。BAT算法的新修改是受反馈控制理论和Lyapunov指数稳定性的启发。提议的 mBAT 修改显着提高了给定优化问题的效率。

       由于供应有限，高效永磁体 (PM) 的价格不断上涨，这重新唤起了人们对同步交流电机的极大兴趣。近年来，同步磁阻电机 (SynRM) 已成为混合动力和电动汽车、跟踪系统以及各种工业和家庭应用中大功率机器的普遍推进技术。特别是考虑到转子设计的最新改进以及具有高计算能力的低成本嵌入式系统的普遍存在，SynRM 如今是感应电机 (IM) 和永磁同步电机 (PMSM) 的可行替代方案. 这种机器的主要优点是生产成本较低，因为它们的生产不需要昂贵的材料。理论上，

       然而，由于直轴和交轴的不同磁特性，SynRM 的数学描述包括复杂的动态方程 [6]、[7]。众所周知，磁链特性取决于两个轴上的电流i d、i q，以及考虑到单个电机旋转的当前转子位置 [8]。电机的闭环运行需要矢量控制方法，其中需要转子位置数据。

       最近的大部分研究都是在更好地利用同步操作原理的领域进行的。因此，物理转子角度测量可以用基于近似磁通计算的估计技术代替。无传感器转子角度估计通常可以分为高速和低速运行条件下的估计，这两种情况之间的界限有些不明确和模糊。由于上述缺点，高效跟踪系统需要可靠的转子角度测量才能可靠运行，物理传感器或多或少可以保证这一点。本论文完全侧重于 SynRM 高效反馈控制器设计。所提出的方法也可以用于具有间接角度测量的系统，其中唯一的条件是可靠的转子角度估计。许多研究人员在他们的反馈控制器设计中使用简化的线性模型，粗略估计 SynRM 的标称值。其原因在于非线性动力学的高度复杂性。在许多情况下，实际电机参数的估计既费时又困难。识别过程通常结合模拟和实验结果 [8]。考虑到饱和度，SynRM 电气参数非常敏感。正交轴之间的交叉耦合取决于饱和度，而电机转矩脉动取决于电机的机械结构 - 电枢开槽 [8]。电枢开槽会降低电机在低速时的性能。为了实现高效的跟踪系统，

       为将所有这些因素考虑在内，SynRM 的电气参数采用有限元法 (FEM) 方法确定。FEM 建模过程不是本文的主要主题，本文不会详细讨论。将仅提供 SynRM 模型实现的非线性电气参数。

       该方法的新颖之处在于基于从 FEM 仿真中收集的参数变化的精确知识，设计出一种最优的鲁棒控制器。该方法的主要优点是可以根据鲁棒控制范例和模型参数变化的详细知识设计先进可靠的控制器结构。最近的研究表明，如果需要 SynRM 控制系统的高效率，SynRM 的高度复杂性和非线性需要复杂的控制器结构。最近的先进方法利用模型参考自适应系统 (MRAS) 控制方案或扭矩模型参考自适应系统 (TMRAS) 控制方案。这两种方案主要用于转子速度估计的无传感器应用，其中主要使用经典的 PI 控制结构。控制理论表明，经典的控制器结构无法正确处理系统在整个运行区域的非线性动态。MRAS 和 TMRAS 方法在磁通和转矩估计方面具有许多优势，并且如果使用精确参考模型 (RM)，理论上非常有效。RM 方法在控制器设计方面具有巨大潜力，但由于电机的复杂性和高度非线性，在许多情况下主要应用线性模型。在这种情况下，线性模型只能覆盖整个非线性动态的一小部分。因此，所提出的 SynRM 控制结构引入了可靠的鲁棒控制器结构设计，同时考虑了 SynRM 参数不确定性和动态偏差的详细知识。

      控制结构分为三个阶段。第一阶段包括dq轴的电流转矩控制器设计。电流控制器的设计采用中提出的稳健极点布置方法。控制器设计的主要目标是在考虑 SynRM 电气参数不确定性的情况下确保双轴电流控制的高稳定性和足够的动态性。第一阶段对于进一步的分析和设计至关重要。第二阶段涵盖q上的控制器设计-axis，其中设计了带有速度控制器的鲁棒修正扰动观测器 (mRDO)。mRDO 基于中提出的修改后的结构，源自稳健的内部补偿器 (RIC)。RIC 技术涉及两个阶段的设计过程。第一阶段包括具有确保鲁棒性的内部控制器设计，而第二阶段包括外部控制器设计，以提供反馈系统的完整动态。RIC 方法主要使用具有纯积分作用 (IA) 的经典低阶控制器结构。IA 改善了干扰抑制特性，但另一方面会导致整个反馈系统的稳定性问题和更差的动态特性 [24]。所提出的 mRDO 的主要优点是改进了整个反馈系统的稳定区域，避免了控制器结构中的纯 IA 效应。此外，mRDO 的第二个优势是对经典 RIC 结构的重构，其中外部反馈分支被额外的内部环路取代。额外的内部循环允许更透明的控制器结构和控制器参数化。控制器结构中的近似 IA 效应是使用所提出的改进 BAT 算法 (mBAT) 优化过程的关键主题之一。本文稍后将对 mBAT 修改和 mRDO 控制器优化进行更详细的讨论。mRDO 的内部电流和速度控制器旨在克服上述经典 RIC 的缺点。mRDO 结构的优化过程依赖于谱多项式 (SP) 的正性条件。SP 函数具有拟凸特性，并根据鲁棒稳定性和闭环动态性能特征用度量 ℋ 来描述闭环特性∞[23]。使用元启发式搜索和进化算法可以有效地解决准凸和非凸优化问题。SP 评估的主要起点是使用鲁棒极点配置技术 (PP) 的控制器参数化，这在某些方面类似于众所周知的 Youla-Kucera 参数化。PP 技术允许固定控制器结构设计，具有透明的闭环极点位置和对系统行为的已知影响，例如干扰抑制跟踪能力、鲁棒性等。SynRM 控制器设计的最后一步是采用 PP 技术的稳健位置控制器和具有严格正性条件的优化。位置控制器设计用于以低频跟踪位置参考信号。

       直接来自性能和PP技术。这种方法允许简单有效的闭环动态和稳健性优化过程。优化基于测试 SP 的非负性条件。因此，使用了 BAT 启发的优化算法。许多研究已经讨论了 BAT 启发式优化技术。该算法的效率有很多证据，并且已经提出了对该方法进行修改和改进的许多可能性。BAT 算法的主要优点是结构简单，收敛速度快，适用于中小型优化问题。本文针对给定的 SynRM 控制问题介绍了 BAT 的新附加修改。新的修改依赖于反馈系统方法，其中计算人口中每个样本的预期位置和当前位置之间的位置误差。期望值可以选择为期望解的区间值，也可以选择为整个种群中当前目标函数值最好的样本。位置误差作为 BAT 速度公式中的导数应用。考虑到 SP 的准凸性质，不必担心期望值会导致错误的解决方案或局部最小值陷阱。考虑到 Lyapunov 稳定性和 SPs-QC 特性，还引入了一种新的自适应指数加权函数。权重函数根据当前解的成功与样本目标函数值不断适配。指数加权函数提高了收敛速度，确保样本到最终解的路径更平滑，最终值的波动更小。最终值可以某种方式解释为李亚普诺夫稳定性的动态系统的平衡点。在本案例中，提供更简单的非复杂目标函数，可在 BAT 算法中有效使用。由此类多项式组成的目标函数不需要额外的证明工具来保持反馈稳定性、控制器稳定性、提供更简单的非复杂目标函数，可以在 BAT 算法中有效使用。由此类多项式组成的目标函数不需要额外的证明工具来保持反馈稳定性、控制器稳定性、提供更简单的非复杂目标函数，可以在 BAT 算法中有效使用。由此类多项式组成的目标函数不需要额外的证明工具来保持反馈稳定性、控制器稳定性、ℋ∞规范评估、动态特性等。所有设计标准都可以在 SP 的非负性条件下进行评估和实现。SP 标准表示为简单的准凸多项式，其中 SP 的正最小值表示给定优化问题的解。

       第二部分简要介绍非线性动态和 SynRM 电机的建模。第三部分介绍了对用于 SynRM 位置控制的拟议 mRDO 结构的推导和分析。为了给定问题更好的透明度和清晰度，附录 A 和 B 中介绍了从 ℋ ∞鲁棒稳定性标准对 SP 多项式的额外推导。第四节介绍了对 BAT 的修改，其中对 SP 进行了优化程序。第五部分描述了 SynRM 位置系统的 mRDO 综合示例、控制器设计的评估以及具有类似优化算法的控制器设计的比较示例。随后是进一步研究的结论和指南。

      SynRM 的动态模型可以在自然abc或公共转子dq0参考系中以一般形式呈现。本节仅讨论必要的数学建模细节和参数不确定性，这在 mRDO 设计过程中很重要。可以找到 SynRM 建模和电机动力学的更详细解释。出于反馈控制器设计的目的，仅在dq0参考中具有独立状态变量的动态模型

       根据SynRM的非线性动力学特性，介绍了新颖的控制器结构和控制器设计。控制器设计分为三个阶段。第一阶段需要为d和q轴设计电流控制器。第二阶段需要新颖的改进扰动观测器架构和转子速度控制器设计，具有近似积分行为。最后阶段包括位置控制器设计。整体控制器结构。

       稳健准则的优化基于范数 ℋ ∞的性质。当使用具有几乎相同重要属性的目标函数时，多准则优化技术最为重要。即使是具有鲁棒性条件的多项式也可以直接用作启发式优化算法中的目标函数。本文提出了一种多目标优化程序，采用 BAT 启发的优化算法。

控制器结构分配的第一步是电流控制器设计。电气部分的实际标称 SynRM 参数如表 1 所示。电机标称值根据固定电流和角度值选择，i d  = 1.8 A，i q  = 1 A，披=0°.

      不确定性权重丁在一世d,一世q考虑到图 7 中的L d和q特性以及电阻R可以变化标称值的 34% 的假设。在一世d=0.4798×秒3+

      本文介绍了使用 SynRM 定位系统的 mRDO 结构设计。SynRM 型机器不常用于此类应用，尤其是在工业环境中。然而，所呈现的结果表明，使用这种先进的控制器结构，SynRM 跟踪位置系统可以成为使用 PM 电机的定位系统的可行替代方案，特别是考虑到电机的廉价材料和结构。使用多项式方法的控制器设计。