基于人工蜂群算法永磁同步电机速度环控制参数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高精度永磁同步电机伺服系统速度控制方法，特别是一种永磁同 步电机速度环参数的人工蜂群优化方法，属于高精度交流伺服控制领域。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机由于具有体积小，转矩脉动小，功率密度高等优点，被广泛应用于工 业自动化控制领域，特别是航空航天、工业机器人、特种加工设备等高精度伺服控制领域。 因此对其调速性能的要求也越来越高。
[0003] 交流伺服系统普遍采用矢量控制策略，在矢量控制系统中，速度环用以提高速度 的稳定性和快速性，其性能好坏直接影响到整个伺服系统的性能。而工业现场最常使用的 仍然为PID控制器，其具有算法简单，鲁棒性好，可靠性高等优点。永磁同步电机是一个非 线性、强耦合、多变量的复杂系统，系统调速性能的好坏主要取决于PID控制器参数的整 定。所谓速度环参数整定，即在众多可能的参数组合中寻找到一组最优的参数，使交流伺服 系统获得良好的调速性能。
[0004] 人工蜂群算法是一种最新发展的模拟蜜蜂群体寻找优良蜜源的仿生智能进化算 法。该算法巧妙地将蜜蜂种群分为引领蜂、跟随蜂、侦查蜂等不同角色，蜜蜂同具体的蜜源 联系在一起，蜜源即解空间内的所有可能解。蜂群对蜜源的搜索过程为：1、引领蜂和具体的 蜜源联系在一起，其发现蜜源，并通过摇摆舞分享蜜源信息；2、跟随蜂根据引领蜂所分享的 信息选择一个蜜源，并在其附近进行采蜜，寻找新蜜源，若搜索到更高适应度的蜜源，则跟 随蜂转变为引领蜂；3、引领蜂在其前次搜索到的蜜源邻域附近进行多次搜索，当多次搜索 仍未找到更高适应度的蜜源时，则放弃该蜜源，转变为侦查蜂，随机搜索新蜜源，当其搜索 到高适应度的蜜源时又转变为引领蜂。该算法突出优点是在每次迭代过程中都进行全局和 局部搜索，不易陷入局部最优，且易收敛。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了加快永磁同步电机的动态响应速度，改善现有的速度控制精 度有限等问题，设计一种基于人工蜂群算法的新型控制器，实现对永磁同步电机给定速度 的尚精度跟踪。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于人工蜂群算法的永磁同 步电机速度环控制参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 步骤一：利用电流传感器实时采集电机的三相电流信号ia、ib、i。，经克拉克变换、 帕克变换后作为矢量控制系统的电流环的反馈量；利用光电编码器检测电机的转子位置及 转速信号，并将转速值作为矢量控制系统的速度环的反馈量；
[0008] 步骤二：将速度环的反馈值与给定值进行比较，将比较结果送入人工蜂群优化 PID控制器，并将人工蜂群优化PID控制器的输出量作为电机的q轴的电流给定，同时，电机 的d轴的电流给定采用i/= 0,其中，人工蜂群优化PID控制器的设计为：
[0009] 将矢量控制系统的速度环的待优化参数Kp、Ki和Kd的某一组值看作一个蜜源，将 这三个参数的取值范围看作蜂群的搜索空间，记其空间维度为D，蜜蜂种群代数为n，蜜蜂 总数为Na，其中，引领蜂规模为凡，跟随蜂规模为Nf，在搜索开始阶段，随机生成乂个蜜源， 即得到初始解（I,，I25…，且有：
[0010] ⑴
[0011] 式⑴中，Ub和Lb分别为搜索空间的上下限，je{1，2,…，D}为被优化参数组 成的D维解向量的某个分量；
[0012]再计算各个解的适应度，将排名前^的解作为初始代引领蜂种群X(O)，对于第n 代的引领蜂XiOihie{1，2,…，NJ，在蜜源i位置进行邻域搜索，即有：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于人工蜂群算法的永磁同步电机速度环控制参数优化方法，其特征在于，包 括以下步骤： 步骤一：利用电流传感器实时采集电机的三相电流信号ia、ib、i。，经克拉克变换、帕克 变换后作为矢量控制系统的电流环的反馈量；利用光电编码器检测电机的转子位置及转速 信号，并将转速值作为矢量控制系统的速度环的反馈量； 步骤二：将速度环的反馈值与给定值进行比较，将比较结果送入人工蜂群优化PID控 制器，并将人工蜂群优化PID控制器的输出量作为电机的q轴的电流给定，同时，电机的d 轴的电流给定采用i/= 〇,其中，人工蜂群优化PID控制器的设计为： 将矢量控制系统的速度环的待优化参数Kp、Ki和Kd的某一组值看作一个蜜源，将这三 个参数的取值范围看作蜂群的搜索空间，记其空间维度为D，蜜蜂种群代数为n，蜜蜂总数 为Na，其中，引领蜂规模为Ne，跟随蜂规模为Nf，在搜索开始阶段，随机生成N a个蜜源，即得 到初始解（Ip I2*…，Iw」）》且有：
式⑴中，Ub和Lb分别为搜索空间的上下限，j e {1，2, ···，0}为被优化参数组成的 D维解向量的某个分量； 再计算各个解的适应度，将排名前Ne的解作为初始代引领蜂种群X(O)，对于第η代的 引领蜂Xi(n)，ie {1，2,…，凡}，在蜜源i位置进行邻域搜索，即有：
式（2)中，1为在[1，D]内的一个随机整数，表示引领蜂随机选择某一维进行搜索， ke {1，2,…，Ne}，随机生成且k乒l，f/为[_1，1]之间的随机数，且须保证生成的V在解 空间内； 采用贪婪选择法在蜜源VJPXi*选取较优适应度的蜜源保留至下一代种群，当所有引 领蜂完成式（2)的搜索后将蜜源信息共享，接着，各跟随蜂按照引领蜂种群适应度值选择 一个引领蜂，并同样对其邻域进行搜索，选择概率为：
式（3)中，f (Xi)为第i个蜜源的适应度值； 若某只引领蜂在其周围搜索次数times达到一定阈值Limit仍未找到更优解，则放弃 该蜜源，对应的引领蜂转变为侦查蜂，同时重新初始化该引领蜂对应的蜜源，BP :
步骤三：将步骤二中的电流给定与步骤一中的电流环的反馈量比较后送入PI控制器， 获得定子电压的d轴分量Ud及q轴分量u ,，经帕克逆变换和SVPWM模块后驱动电机运行。
2. 如权利要求1所述的一种基于人工蜂群算法的永磁同步电机速度环控制参数优化 方法，其特征在于，采用包含超调惩罚项的适应度函数f(t)来评价矢量控制系统中速度环 控制参数是否最优，该适应度函数f(t)包括时间乘以误差绝对值积分性能指标ITAE和系 统超调量Mp，即：
式中，t为时间，e(t)为速度误差，α、β分别为 惩罚权值。
【专利摘要】本发明公开了一种基于人工蜂群算法的永磁同步电机速度环控制参数优化方法，其利用人工蜂群PID控制器代替传统PID控制器，自动实现参数的自整定，并施加到永磁交流矢量控制系统的速度环中，实现对交流伺服系统速度的精确跟踪。该方法具体包括：将待整定参数看作蜜源，利用蜂群特有的角色转变机制搜索最优参数组合。为了判断蜜源是否最优，本发明设计了包含超调惩罚项的适应度函数。与传统PID控制器相比，本发明可以有效改善伺服系统的动态性能，实现对永磁同步电机速度的无超调控制。
【IPC分类】H02P21-00
【公开号】CN104852654
【申请号】CN201510099931
【发明人】周武能, 蔡超, 刘峙飞, 王嘉宁, 柳鑫, 田波, 丁曹凯, 王菊平
【申请人】东华大学, 上海鲍麦克斯电子科技有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年3月6日