本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙分布帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的永磁同步電機(jī)初始位置辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)性能、高啟動(dòng)扭矩和能量密度，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須使用電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確信息，而使用位置傳感器會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如尺寸、重量和成本增加，極端環(huán)境下電機(jī)控制可靠性降低等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)良好的起動(dòng)性能，需要精準(zhǔn)的獲取永磁同步電機(jī)初始位置，如果初始位置未知時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起抖動(dòng)、反轉(zhuǎn)甚至無(wú)法啟動(dòng)。因此，零低速狀態(tài)下對(duì)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)具有重要意義。

2、當(dāng)前，初始位置辨識(shí)的快速性仍然是一個(gè)亟待解決的難題。為避免已有初始位置辨識(shí)將位置誤差通過(guò)pi調(diào)節(jié)器得到估計(jì)位置帶來(lái)的初始位置辨識(shí)緩慢的問(wèn)題，可根據(jù)電機(jī)電壓方程構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，先使用共軛梯度法對(duì)角度進(jìn)行初步搜索，然后通過(guò)基于雙分布變異帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)方法對(duì)角度進(jìn)行精細(xì)搜索，以在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)快速得到初始位置。若缺乏初始位置估計(jì)的快速方法，將限制永磁同步電機(jī)無(wú)位置控制在快速啟動(dòng)情景下的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于為解決永磁同步電機(jī)快速初始位置辨識(shí)的難題，提供一種基于雙分布帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的永磁同步電機(jī)初始位置辨識(shí)方法。

2、所述雙分布，指在帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)不同階段分別使用高斯和柯西分布。

3、本發(fā)明的方法使用電機(jī)電壓方程構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，通過(guò)基于雙分布帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)方法對(duì)角度進(jìn)行快速搜索，有效避免了使用pi調(diào)節(jié)器計(jì)算初始位置時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，在電機(jī)快速啟動(dòng)的使用場(chǎng)景下具有良好的應(yīng)用前景。

4、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

5、基于雙分布帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的永磁同步電機(jī)初始位置辨識(shí)方法，所述方法包括以下步驟：

6、步驟一：基于靜止?fàn)顟B(tài)下的電壓方程，構(gòu)造一個(gè)以轉(zhuǎn)速等于零為前提的電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角度函數(shù)；

7、步驟二：基于函數(shù)最優(yōu)化理論，基于d軸高頻電壓注入和正則化項(xiàng)的凸函數(shù)化方法，將初始位置角度函數(shù)轉(zhuǎn)化為初始位置角度代價(jià)函數(shù)；

8、步驟三：選取0作為尋優(yōu)的初始值，計(jì)算步驟二中得到的初始位置角度代價(jià)函數(shù)梯度值，代入共軛梯度法公式計(jì)算，確定辨識(shí)區(qū)間；

9、步驟四：在所述辨識(shí)區(qū)間內(nèi)，隨機(jī)生成10n個(gè)角度值作為初始國(guó)家，選擇其中n個(gè)代價(jià)函數(shù)最小的國(guó)家作為帝國(guó)，n的取值大于5；將其余國(guó)家按區(qū)間成比例劃分給各個(gè)帝國(guó)，以產(chǎn)生初始帝國(guó)集團(tuán)；在每個(gè)帝國(guó)集團(tuán)內(nèi)，再次選擇代價(jià)函數(shù)最小的國(guó)家作為帝國(guó)，其余國(guó)家作為殖民地，使殖民地的角度值在自身初始角度附近按照高斯分布隨機(jī)變化；變化后，再次在帝國(guó)集團(tuán)內(nèi)選擇代價(jià)函數(shù)最小的國(guó)家作為帝國(guó)，其余為殖民地，從帝國(guó)集團(tuán)中移除代價(jià)函數(shù)最高的殖民地；反復(fù)迭代，當(dāng)?shù)蹏?guó)集團(tuán)數(shù)量減小到初始的一半時(shí)，使殖民地服從柯西分布在自身初始角度附近隨機(jī)變化；當(dāng)僅剩一個(gè)國(guó)家時(shí)，取其估計(jì)角度值作為最終的初始角度辨識(shí)結(jié)果。

10、進(jìn)一步的是，步驟一中，所述基于靜止?fàn)顟B(tài)下的電壓方程，構(gòu)造一個(gè)以轉(zhuǎn)速等于零為前提的電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角度函數(shù)；具體為：

11、永磁同步電機(jī)在α-β軸系下的電壓方程，基于歐拉方程離散化得到：

12、

13、式中：uα,uβ代表靜止坐標(biāo)軸系下的電機(jī)電壓；rs代表定子電阻；iα,iβ代表靜止坐標(biāo)軸系下的電機(jī)電流；la,lb代表電感矩陣；ψf代表永磁體磁鏈；θe,ωe分別代表電機(jī)電角度和電角速度；ts代表計(jì)算周期；k代表時(shí)間周期數(shù)；δiα,δiβ代表相鄰時(shí)刻靜止坐標(biāo)軸系下的電機(jī)電流的變化量，其表達(dá)式為：

14、

15、式中：tpk為坐標(biāo)變換矩陣；

16、根據(jù)電壓方程所構(gòu)造的代價(jià)函數(shù)的離散形式為：

17、

18、式中：分別代表估計(jì)電機(jī)電角度和估計(jì)電角速度；代表電感矩陣,代表坐標(biāo)變換矩陣，其具體表達(dá)式分別為：

19、

20、

21、式中：ld、lq代表電機(jī)的交直軸電感。

22、進(jìn)一步的是，步驟二中，所述基于函數(shù)最優(yōu)化理論，基于d軸高頻電壓注入和正則化項(xiàng)的凸函數(shù)化方法，將初始位置角度函數(shù)轉(zhuǎn)化為初始位置角度代價(jià)函數(shù)；具體為：

23、加入正則化項(xiàng)的代價(jià)函數(shù)形式為：

24、

25、式中：k1,k2為常數(shù)；

26、基于d軸高頻電壓注入的幅值調(diào)制函數(shù)為：

27、

28、式中：ω1代表轉(zhuǎn)速閾值。

29、進(jìn)一步的是，步驟三中，所述辨識(shí)區(qū)間的確定過(guò)程是：

30、當(dāng)連續(xù)兩次迭代得到的估計(jì)角度值之差小于閾值時(shí)，使用最后一次估計(jì)角度值加閾值作為辨識(shí)區(qū)間上界，使用最后一次估計(jì)角度值減閾值作為辨識(shí)區(qū)間下界。

31、進(jìn)一步的是，步驟三中，所述選取0作為尋優(yōu)的初始值，計(jì)算步驟二中得到的初始位置角度代價(jià)函數(shù)梯度值，代入共軛梯度法公式計(jì)算，確定辨識(shí)區(qū)間；具體為：

32、在每個(gè)計(jì)算周期內(nèi)以所構(gòu)造的代價(jià)函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，選取閾值為ε，從任意初始點(diǎn)出發(fā)，此時(shí)迭代次數(shù)k＝1，沿負(fù)梯度方向進(jìn)行搜索：

33、

34、式中：g1代表第一次迭代時(shí)的梯度方向，代表代價(jià)函數(shù)的梯度值，p1代表第一次迭代時(shí)的尋優(yōu)方向；

35、若||g1||≤ε，則停止，否則令：

36、

37、式中：為第二次迭代的估計(jì)角度，λ1為系數(shù)，通過(guò)令計(jì)算得到；為第一次迭代的估計(jì)角度；

38、若則停止，否則由繼續(xù)計(jì)算αk＝||gk+1||2/||gk||2，令：

39、pk+1＝-gk+1+αkpk，

40、式中：gk+1代表第k+1次迭代時(shí)的梯度方向，αk表示尋優(yōu)方向系數(shù)，pk表示第k次迭代時(shí)的尋優(yōu)方向；

41、由繼續(xù)迭代，直到||gk||≤ε時(shí)停止搜索，取作為帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法的初始化范圍；λk為第k次迭代時(shí)的系數(shù)。

42、進(jìn)一步的是，步驟四具體為：

43、在步驟三得到的范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生10n個(gè)國(guó)家作為初始國(guó)家，選取其中代價(jià)函數(shù)最小的前n個(gè)國(guó)家作為帝國(guó)，其余國(guó)家作為殖民地，然后根據(jù)帝國(guó)代價(jià)函數(shù)值大小劃分殖民地，每個(gè)帝國(guó)的殖民地個(gè)數(shù)按照下面的式子計(jì)算：

44、

45、n.r.n＝round{tn×9n}

46、式中：rn為第n個(gè)帝國(guó)的代價(jià)函數(shù)值；為所有帝國(guó)中令代價(jià)函數(shù)最大者的代價(jià)函數(shù)值；r'n是第n個(gè)帝國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化代價(jià)；tn是第n個(gè)帝國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化勢(shì)力大??；n.r.n是對(duì)應(yīng)帝國(guó)初始殖民地的個(gè)數(shù)；round表示取整；

47、殖民地通過(guò)以下規(guī)則進(jìn)行移動(dòng)：

48、x～u(0,β×d)

49、θ～u(-γ,γ)

50、式中：x表示移動(dòng)距離；d表示殖民地和帝國(guó)間的距離；β為移動(dòng)參數(shù)，取值大于1使得殖民地能靠近帝國(guó)；θ為隨機(jī)偏差角度；u(0,β×d),u(-γ,γ)表示在區(qū)間內(nèi)均勻分布；

51、在殖民地移動(dòng)過(guò)程中，若移動(dòng)后某殖民地代價(jià)函數(shù)小于帝國(guó)，則交換兩者身份，同時(shí)其他殖民地向新帝國(guó)方向移動(dòng)；

52、殖民地移動(dòng)后，最大的帝國(guó)里代價(jià)函數(shù)最大的殖民地作為帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)象，按照不同帝國(guó)及其殖民地代價(jià)函數(shù)之和加權(quán)作為帝國(guó)權(quán)重值，以帝國(guó)權(quán)重值為概率隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)殖民地，最弱殖民地被占領(lǐng)后通過(guò)高斯概率分布函數(shù)執(zhí)行變異，若此時(shí)帝國(guó)數(shù)量少于5n，則通過(guò)柯西概率分布函數(shù)執(zhí)行變異；若帝國(guó)數(shù)量不為一個(gè)，則繼續(xù)反復(fù)執(zhí)行殖民地移動(dòng)和帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程；

53、在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，若某帝國(guó)失去所有殖民地，則帝國(guó)滅亡，最后，當(dāng)僅剩一個(gè)帝國(guó)時(shí)，算法結(jié)束，取最后一個(gè)帝國(guó)的角度值作為最終的初始位置辨識(shí)值。

54、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：本發(fā)明采用基于雙分布帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)方法對(duì)根據(jù)α-β軸系下的電壓方程構(gòu)造的代價(jià)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，與已有方法相比實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)初始位置快速辨識(shí)，為無(wú)位置控制算法在快速啟動(dòng)情景下的應(yīng)用提供了廣泛的可能性。