一种基于蚁群优化pid永磁同步电机直接转矩控制方法
阅读说明：本技术 一种基于蚁群优化pid永磁同步电机直接转矩控制方法 (Direct torque control method based on ant colony optimization PID permanent magnet synchronous motor ) 是由 鲁智鹏 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于蚁群优化PID永磁同步电机直接转矩控制方法,本发明采用蚁群整定PID的比例,微分,积分系数,来实现对PID控制器的优化,将优化好的控制器用于对永磁同步电机直接转矩进行控制。将转速检测传感器获得的当前转矩与理论所要的转矩作差,获得当前转矩误差和定子磁链误差,将这两个误差作为控制模型的输入,输入到PID控制器中,通过控制器的传递函数,获得控制电机的电压矢量角度与幅值作为系统的输出,蚁群优化PID永磁同步电机直接转矩控制方法系统简单,容易实现参数整定,同时系统的稳定性及适应性强。(The invention provides a direct torque control method of a permanent magnet synchronous motor based on ant colony optimization PID, which adopts ant colony to adjust proportion, differential and integral coefficient of PID to realize optimization of a PID controller, and uses the optimized controller to control direct torque of the permanent magnet synchronous motor. The method is characterized in that the current torque obtained by a rotating speed detection sensor is differed from the torque theoretically required to obtain the current torque error and the stator flux linkage error, the two errors are used as the input of a control model and are input into a PID controller, the voltage vector angle and the amplitude of a control motor are obtained through the transfer function of the controller and are used as the output of a system, and the ant colony optimization PID permanent magnet synchronous motor direct torque control method is simple in system, easy to realize parameter setting and high in system stability and adaptability.)
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于蚁群优化PID永磁同步电机直接转矩控制方法。
背景技术
永磁同步电机通过在电动机中通入三相电流，电动机内部形成旋转磁场，转子中的永磁体在旋转磁场中旋转，最终达到转子的旋转速度与定子的旋转速度相同。直接转矩控制(Direct torque control，简称DTC)是一种变频器控制三相马达转矩的方式。其作法是依量测到的马达电压及电流，去计算马达磁通和转矩的估测值，在直接转矩控制中，定子磁通用定子电压积分而得。而转矩是以估测的定子磁通向量和量测到的电流向量内积为估测值。磁通和转矩会和参考值比较，若磁通或转矩和参考值的误差超过允许值，变频器中的功率晶体会切换，使磁通或转矩的误差可以尽快缩小。因此直接转矩控制也可以视为一种磁滞或继电器式控制。
比例、微分、积分控制简称PID控制，比列使得系统快速到达目标，但会引起系统的振荡，微分用来对误差减小的速度进行抑制，积分用来消除静差。用PID控制永磁同步电机直接转矩控制，系统具有非常精确的控制效果，具有结构简单，稳定性好，同时不需要永磁同步电机准确的数学模型，用高速有效的方式使得系统误差减小，达到稳定状态。
中国发明专利CN110932635A公开发明了一种基于模糊控制逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，将转速误差与定子链误差作为输入量输入到模糊控制器中，该种控制器训练过程复杂，系统响应性慢；中国发明专利CN110061669A公开发明了一种永磁同步电机直接转矩控制方法，将定子链与反馈定子链信号差作为super-twisting磁链控制器的输入，输出d轴电压矢量，并将q与d轴的电压矢量经过PARK反变换单元变换得到α，β轴电压，最终生成PWM控制信号，该种方法需要准确的永磁同步电机的控制模型，控制系统复杂。
这些永磁同步电机的直接转矩控制方法都不可避免地存在着各自的缺陷，限制了电机工程和实际生产中的应用。由此可见，现有永磁同步电机的直接转矩控制方法系统复杂，响应性低，适应性弱已不能满足要求，而采取一种基于蚁群优化PID永磁同步电机直接转矩控制方法。来改变现有技术的不足。
发明内容
本发明针对现有技术的以上缺陷，本发明的主要目的在于提供一种响应性高，适应性能更强，鲁棒性更好，收敛速度更快的控制模型来实现同步电机直接转矩控制方法；
本发明的技术方案为：一种基于蚁群优化PID同步电机直接转矩控制方法，包括如下步骤：
首先将转速检测传感器获得的当前转矩与理论所要的转矩作差，获得当前转矩误差和定子磁链误差，将这两个误差作为控制模型的输入，输入到PID控制器中，通过控制器的传递函数，获得控制电机的电压矢量角度与幅值作为系统的输出；
进一步地获得永磁同步电机的定子电压与定子磁链方程如下：
其中：ux、uy、ix、iy是x，y轴上的定子电压矢量u与定子电流矢量i的分量，R为定子电阻；Af代表永磁磁链的幅值，ω为Ax的旋转电角速度；δ为(-π/2，π/2)为定子磁链矢量As和转子磁链矢量Af间的夹角，称为转矩角；L为定子电感；
获得永磁同步电机电磁转矩表达式为：
进一步地，对所述Te表达式进行求导，设定As恒定不变：
其中所述比例系数θs与θr则为As和Af与A相定子绕组轴线的夹角；ωr为Af旋转电角速度；
进一步地，获得电磁转矩的变化率为：
转矩脉冲均方根误差为：
为参考转矩，也就是理想转矩；
其次规定出采样时间间隔为T，转速检测传感器实时的检测永磁同步电机的当前转速，采样出当前同步电机的转速数据，并将当前转速与给定转速做差，通过上述式子计算出转速偏差变化率，同时获得到e(k)、r(k)，并计算t时刻的误差e(k)＝r(k)-y(t)；
其中根据系统的运行状态通过蚁群算法的训练，学习输出调节PID控制的3个参数，Kp、Ki、Kd，分别为比例系数，微分时间常量与积分时间常量；
进一步地，将获得的永磁同步电机转速的误差信号进行处理，提取数据特征参数，并进行归一化处理，加入蚁群中进行参数的训练，若满足所给定的约束条件，误差小于一定范围或者训练到一定次数即终止训练，输出PID的三个参数的最优解，若不满足条件，则重新进入蚁群模型进行寻优；
将已经获得的3个参数输入到PID控制器中，进一步地，我们获得如下的模型的数学式，通过比列、微分、积分共同控制；
进一步地，将PID算法离散化，e(k)为偏差，积分后误差累计为e(k)+e(k-1)+e(k-2)…+e(0)，微分为(e(k)-e(k-1))/T，有
所述Kp为比例系数，
进一步地，为所述PID控制模型采用增量式，即有：
u(k)＝Δu(k)+u(k-1)
最终，将获得的永磁同步电机转速的初始误差信号作为控制系统的输入，通过对误差的一次次迭代，在训练过程直到输出层的输出与期望值的偏差在规定的误差范围内时，系统停止；若不满足要求，令k＝k+1，继续进行对误差的消除；
用已经训练好的PID控制模型对测试集进行测试，将搭建好的PID控制模型用于实际检测，检测结果即实现了永磁同步电机直接转矩控制方法。
附图说明
图1为蚁群优化PID永磁同步电机直接转矩控制流程图；
图2为蚁群算法对PID的参数整定；
图3为PID对永磁同步电机直接转矩误差的控制。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明所述蚁群优化PID永磁同步电机直接转矩控制流程图，如图1所示，首先将转速检测传感器获得的当前转矩与理论所要的转矩作差，获得当前转矩误差和定子磁链误差，将这两个误差作为控制模型的输入，输入到PID控制器中，通过控制器的传递函数，获得控制电机的电压矢量角度与幅值作为系统的输出；
图2为蚁群算法对PID的参数整定，如图2所示：
进一步地获得永磁同步电机的定子电压与定子磁链方程如下：
其中：ux、uy、ix、iy是x，y轴上的定子电压矢量u与定子电流矢量i的分量，R为定子电阻；Af代表永磁磁链的幅值，ω为Ax的旋转电角速度；δ为(-π/2，π/2)为定子磁链矢量As和转子磁链矢量Af间的夹角，称为转矩角；L为定子电感；
获得永磁同步电机电磁转矩表达式为
进一步地：对所述Te表达式进行求导，设定As恒定不变：
其中所述比例系数θs与θr则为As和Af与A相定子绕组轴线的夹角；ωr为Af旋转电角速度；
进一步地获得电磁转矩的变化率为：
转矩脉冲均方根误差为
为参考转矩，也就是理想转矩；
其次规定出采样时间间隔为T，转速检测传感器实时的检测永磁同步电机的当前转速，采样出当前同步电机的转速数据，并将当前转速与给定转速做差，通过上述式子计算出转速偏差变化率，同时获得到e(k)、r(k)，并计算t时刻的误差e(k)＝r(k)-y(t)；
其中根据系统的运行状态通过蚁群算法的训练，学习输出调节PID控制的3个参数，Kp、Ki、Kd，分别为比例系数，微分时间常量与积分时间常量；
进一步地，将获得的永磁同步电机转速的误差信号进行处理，提取数据特征参数，并进行归一化处理，加入蚁群中进行参数的训练，若满足所给定的约束条件，误差小于一定范围或者训练到一定次数即终止训练，输出PID的三个参数的最优解，若不满足条件，则重新进入蚁群模型进行寻优；
图3为PID对永磁同步电机直接转矩误差的控制，如图3所示：
其次规定出采样时间间隔为T，转速检测传感器实时的检测永磁同步电机的当前转速，采样出当前同步电机的转速数据，并将当前转速与给定转速做差，通过上述式子计算出转速偏差变化率，同时获得到e(k)、r(k)，并计算t时刻的误差e(k)＝r(k)-y(t)；
其中根据系统的运行状态通过蚁群算法的训练，学习输出调节PID控制的3个参数，Kp、Ki、Kd，分别为比例系数，微分时间常量与积分时间常量；
进一步地，将获得的永磁同步电机转速的误差信号进行处理，提取数据特征参数，并进行归一化处理，加入蚁群中进行参数的训练，若满足所给定的约束条件，误差小于一定范围或者训练到一定次数即终止训练，输出PID的三个参数的最优解，若不满足条件，则重新进入蚁群模型进行寻优；
将已经获得的3个参数输入到PID控制器中，进一步地，我们获得如下的模型的数学式，通过比列、微分、积分共同控制；
进一步地，将PID算法离散化，e(k)为偏差，积分后误差累计为e(k)+e(k-1)+e(k-2)…+e(0)，微分为(e(k)-e(k-1))/T，有：
所述Kp为比例系数，
进一步地，为所述PID控制模型采用增量式，即有：
u(k)＝Δu(k)+u(k-1)
最终，将获得的永磁同步电机转速的初始误差信号作为控制系统的输入，通过对误差的一次次迭代，在训练过程直到输出层的输出与期望值的偏差在规定的误差范围内时，系统停止；若不满足要求，令k＝k+1，继续进行对误差的消除；
用已经训练好的PID控制模型对测试集进行测试，将搭建好的PID控制模型用于实际检测，检测结果即实现了永磁同步电机直接转矩控制方法。