基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统

1.本发明涉及电机控制领域，具体是基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统。


背景技术：

2.以永磁同步电机作为执行元件的永磁交流伺服系统广泛应用于生产制造、医疗设施以及国防军事等领域。其中，它的控制方法主要分为矢量控制和直接转矩控制，矢量控制技术具有高精度、高动态响应以及宽调速范围等优点，普遍适合于对控制精度有较高要求的场合中。然而，目前永磁同步电机矢量控制技术的控制结构为位置、速度和电流的三环串联结构。位置环为最外环，当进行位置控制时，无法进行力控制。力控制通过内环的电流环实现，当进行力控制时，无法进行位置控制。因此单个电机无法满足同时需要进行力控制和位置控制的应用场合。对此，现有的力位混合控制解决方法往往需要同时对多个永磁同步电机进行配合控制，以实现在某个平面内进行力控制以及在另外一个平面内实现位置控制，但这大大增加了算法复杂程度和应用成本，降低了控制的时效性和精准性。并且，力闭环控制的负载力矩通常通过力矩传感器实现，进一步增加了应用成本。
3.因此，需要对现有技术进行改进。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统，通过多目标粒子群算法使力和位置的控制结构由串联结构改变为并联结构，实现永磁同步电机伺服系统的力控制和位置控制的集成兼优，通过负载力矩估算实现无力矩传感器的负载力矩反馈。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统，包括永磁同步电机，所述永磁同步电机的两相相电流ia和ib作为clarke变换模块的输入，所述永磁同步电机的实际位置θm分别作为求导器、乘法器和第二减法器的输入；给定位置为预设的常量作为第二减法器的输入，给定转矩t
*
为预设的常量作为第一减法器的输入，给定直轴电流为第五减法器的输入；
6.所述求导器的输出分别与第三减法器的输入和负载力矩估算模块的输入相连接；
7.所述clarke变换模块的输出与park变换模块的输入相连接，乘法器的输出分别与park变换模块和ipark变换模块的输入相连接，park变化模块的输出分别与负载力矩估算模块、第四减法器和第五减法器的输入相连接；负载力矩估算模块的输出与第一减法器输入相连接；
8.所述第二减法器的输出分别与多目标粒子群算法模块的输入和位置p控制器的输入相连接；位置p控制器的输出与第三减法器的输入相连接，第三减法器的输出与速度pi控制器的输入相连接，速度pi控制器的输出与多目标粒子群算法的输入相连接；
9.所述第一减法器的输出分别与多目标粒子群算法模块的输入和力pi控制器的输入相连接，力pi控制器的输出与多目标粒子群算法模块的输入相连接；多目标粒子群算法模块的输出与第四减法器的输入相连接；
10.所述第四减法器和第五减法器的输出与电流pi控制器的输入相连接，电流pi控制器的输出依次经过ipark变换模块和空间矢量脉宽调制模块后与三相逆变器的输入相连接，通过三相逆变器驱动所述永磁同步电机。
11.本发明同时还提供了基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法，具体步骤如下：
12.步骤1、通过两个霍尔电流传感器采集电流信号的方法得到两相相电流ia和ib，经过clarke变换模块，得到静止两相坐标系下实际电流ia和i
β
后作为park变换模块的输入；
13.步骤2、通过编码器采集得到永磁同步电机的实际位置θm，实际位置θm经过乘法器得到的实际电角度θe，静止两相坐标系下实际电流ia和i
β
和实际电角度θe通过park变换模块获得实际直轴电流id和实际交轴电流iq，然后park变换模块输出实际直轴电流id给第五减法器，输出实际交轴电流iq至第四减法器，同时输出实际直轴电流id和实际交轴电流iq给负载力矩估算模块；
14.步骤3、实际位置θm经过求导器获得实际角速度ωm，然后将实际角速度ωm分别输出给负载力矩估算模块和第三减法器，负载力矩估算模块输出为估算负载力矩作为第一减法器的输入；
15.步骤4、给定转矩t
*
与估算负载力矩经过第一减法器后获得给定转矩t
*
与估算负载力矩的误差作为力pi控制器的输入，经过力pi控制器后输出为力控制给定电流然后将给定转矩t
*
与估算负载力矩的误差、力控制给定电流均输入到多目标粒子群算法模块中；
16.步骤5、给定位置与实际位置θm经过第二减法器后获得给定位置与实际位置θm的误差并输入到位置p控制器，经过位置p控制器获得给定转速给定转速与实际角速度ωm经过第三减法器得到给定转速与实际角速度ωm的误差作为速度pi控制器输入，速度pi控制器的输出为位置控制给定电流
17.然后将给定位置与实际位置θm的误差、位置控制给定电流一同输入到多目标粒子群算法模块；
18.步骤6、多目标粒子群算法模块根据输入的给定位置与实际位置θm的误差、给定转矩t
*
与实际负载力矩t
l
的误差构建目标函数，对当前电机的力控制和位置控制情况进行评估，并通过多目标粒子群算法得到最优的集成优化因子a，通过最优的集成优化因子a将力控制给定电流和位置控制给定电流整合输出为力位混合控制电流给定并输入至第四减法器；
19.步骤7、电流pi控制器模块包括交轴电流pi控制器和直轴电流pi控制器，力位混合控制电流给定与实际交轴电流iq经过第四减法器后获得力位混合控制电流给定与实际交轴电流iq的误差，然后力位混合控制电流给定与实际交轴电流iq的误差经过交轴电流pi控制器的计算后输出给定交轴电压
20.给定直轴电流与实际直轴电流id经过第五减法器获得给定直轴电流与实际直轴电流id的误差，然后给定直轴电流与实际直轴电流id的误差经过直轴电流pi控制器的计算后输出给定直轴电压给定交轴电压和给定直轴电压一同输入到ipark变换模块中；
21.步骤8、给定交轴电压给定直轴电压和实际电角度θe经过ipark变换模块变换为静止两相坐标系下的给定电压和并输入至空间矢量脉宽调制模块；
22.步骤9、静止两相坐标系下的电压给定值和通过空间矢量脉宽调制模块，得到六路pwm信号作为控制三相逆变器的输入；
23.步骤10、三相逆变器按照输入的六个pwm信号的对六个开关管作开关动作，控制母线电压u
dc
输入到永磁同步电机中，实现永磁同步电机的驱动。
24.作为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法的改进：
25.步骤4中所述第一减法器的算式为：
26.所述力pi控制器的计算如公式(8)所示：
[0027][0028]
其中，k
pt
是力pi控制器的比例系数；k
it
是力pi控制器的积分系数；公式(8)在计算机离散系统中的形式为：
[0029][0030]
其中，k是采样时刻，ts是采样时间。
[0031]
作为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法的进一步改进：
[0032]
步骤5中所述第二减法器的算式为：
[0033]
所述第三减法器的算式为：
[0034]
所述速度pi控制器的计算如公式(10)所示：
[0035][0036]
其中，k
pp
是位置p控制器的比例系数；k
ps
是速度pi控制器的比例系数；k
is
是速度pi控制器的积分系数，并且有
[0037]
公式(10)在计算机离散系统中的形式为：
[0038][0039]
作为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法的进一步改进：
[0040]
所述步骤6多目标粒子群算法模块实现的具体步骤如下：
[0041]
(1)初始化群体规模为n的粒子群；
[0042]
vi∈[v
min
,v
max
],xi∈[x
min
,x
max
],i＝1,2,
…
,n-1,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0043]
其中，vi为各个粒子的速度，v
min
和v
max
分别为速度的定义域范围，xi为各个粒子的位置，x
min
和x
max
分别为位置的定义域范围，n为粒子的总数；
[0044]
(2)构建所述目标函数如公式(6)所示；
[0045][0046]
其中，f
li
是评价力控制的指标，f
wei
是控制位置控制的指标；
[0047]
(3)构建总体评价函数：
[0048][0049]
其中r(0≤r≤1)是一个力控制侧重系数；
[0050]
通过公式(14)计算每个粒子的适应度值，并得到全局极值如公式(15)所示；
[0051]
gbest＝min[fi],i＝1,2,
…
,n-1,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0052]
(4)计算得到个体极值pbesti；
[0053]
pbesti＝min[f(n)],n＝1,2,
…
,d-1,d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0054]
其中，d为迭代次数；
[0055]
(5)更新每个粒子的速度和位置；
[0056]
vi(n)＝vi(n-1) c1×
rand()
×
(pbesti(n-1)-xi(n-1))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0057]
c2×
rand()
×
(gbest(n-1)-xi(n-1))
[0058]
xi(n)＝xi(n-1) vi(n)
[0059]
其中，vi(n)和xi(n)表示当前次迭代各个粒子的速度和位置，vi(n-1)和xi(n-1)表示上一次迭代的各个粒子的速度和位置，rand()为介于0和1之间的随机数，c1和c2分别代表对个体自身和对全局整体的学习因子；
[0060]
(6)根据终止条件公式(18)，评价适应度值，若满足终止条件，输出最优的优化因子a＝xi，并根据公式(19)输出整合力控制和位置控制的力位混合控制电流给定
[0061]
f≤thr
ꢀꢀ
(18)
[0062]
其中，thr为设定的总体评价函数阈值；
[0063][0064]
其中，a(0≤a≤1)为力控制和位置控制的集成优化因子；
[0065]
(7)不满足终止的回到第(2)步，再次进入迭代过程中，直到满足终止条件或达到最高迭代次数；
[0066]
(8)进行训练后，生成离线表，每一个转矩给定和位置给定都能找到一个最优的集成优化因子a，实现电机的力控制和位置控制兼优。
[0067]
作为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法的进一步改进：
[0068]
步骤7中所述第四减法器的算式为：
[0069]
所述第五减法器的算式为：
[0070]
所述电流pi控制器模块的计算公式为：
[0071][0072]
其中，k
piq
是交轴电流pi控制器的比例系数；k
iiq
是交轴电流pi控制器的积分系数；k
pid
是直轴电流pi控制器的比例系数；k
iid
是直轴电流pi控制器的积分系数；
[0073]
公式(20)在计算机离散系统中的形式为：
[0074][0075]
作为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法的进一步改进：
[0076]
步骤3中所述负载力矩估算模块的实现步骤如下：
[0077]
永磁同步电机的电磁转矩方程如下：
[0078][0079]
其中，te是电磁转矩，ld是电机直轴电感，lq是电机交轴电感，是永磁体磁链，pn为永磁同步电机极对数；
[0080]
永磁同步电机的机械运动方程如下：
[0081][0082]
其中，j是电机转动惯量，t
l
是实际负载力矩，b是粘滞系数；
[0083]
选取状态变量为：
[0084]
x＝[ω
m t
l
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0085]
其中，t
l
为实际负载力矩，通过力矩观测器公式(7)估算得到：
[0086]
根据式(3)和式(4)，写出状态空间方程如下：
[0087][0088]
其中，为机械角速度的一阶导数，为实际负载力矩的一阶导数；
[0089]
然后设计负载力矩观测器，如下：
[0090][0091]
其中，为估算机械角速度的一阶导数，为估算负载力矩的一阶导数，l1和l2分别是反馈系数。
[0092]
作为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法的进一步改进：
[0093]
所述clarke变换模块的变换公式为：
[0094][0095]
其中，相电流ic符合：ia ib ic＝0；
[0096]
所述乘法器的算式为：θe＝pn·
θm，pn为永磁同步电机极对数；
[0097]
所述求导器的算式为：ωm＝dθm/dt；
[0098]
所述park变换公式为：
[0099][0100]
其中，θe为实际电角度；
[0101]
所述ipark变换公式为：
[0102]
[0103]
本发明的有益效果主要体现在：
[0104]
本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统，相比于传统的位置、速度和电流的三环串联控制结构，能够简单、有效地同时实现力控制和位置控制，并采用负载力矩算法估算负载力矩，以更简单的算法和更低的成本实现力位混合控制，尤其适用于工业机器人等对力和位置控制均有较高要求的场合。
附图说明
[0105]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0106]
图1为本发明的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统的结构框图；
[0107]
图2为图1中力控制给定电流的计算原理框图；
[0108]
图3为图1中位置控制给定电流的计算原理框图；
[0109]
图4为图1中多目标粒子群算法的实现方法流程图；
[0110]
图5为图1中clarke变换模块原理框图；
[0111]
图6为图1中park变换模块原理框图；
[0112]
图7为图1中电流pi控制器模块原理框图；
[0113]
图8为图1中ipark变换模块原理框图；
[0114]
图9为图1中空间矢量脉宽调制模块原理框图；
[0115]
图10为实验1中基于dspace的半实物电机测试平台结构框图。
具体实施方式
[0116]
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
[0117]
实施例1、
[0118]
基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统，如图1所示，包括力pi控制器、位置控制电流给定计算模块(包括位置p控制器与速度pi控制器)、多目标粒子群算法模块、电流pi控制器、ipark变换模块、空间矢量脉宽调制模块(svpwm)模块、三相逆变器、永磁同步电机(pmsm)、编码器、clarke变换模块、park变换模块、负载力矩估算模块、求导器、乘法器以及第一至第五减法器；
[0119]
采用两相霍尔电流传感器采样的方法采集永磁同步电机(pmsm)的两相相电流(ia和ib)作为clarke变换模块的输入，采用编码器采集得到永磁同步电机(pmsm)的实际位置θm分别作为求导器、乘法器和第二减法器的输入；采用负载力矩估算模块估算得到永磁同步电机(pmsm)的估算负载力矩为第一减法器的输入，第一减法器的另一个输入为给定转矩t
*
，第二减法器的另一个输入为给定位置给定转矩t
*
和给定位置为预设的常量。
[0120]
第一减法器的输出分别与多目标粒子群算法模块的输入和力pi控制器的输入相连接，力pi控制器的输出与多目标粒子群算法模块的输入相连接；多目标粒子群算法模块的输出与第四减法器的输入相连接；
[0121]
第二减法器的输出分别与多目标粒子群算法模块的输入和位置p控制器的输入相
连接；实际位置θm经过求导器后分别与负载力矩估算模块、第三减法器的输入相连接，位置p控制器的输出与第三减法器的输入相连接，第三减法器的输出与速度pi控制器的输入相连接，速度pi控制器的输出与多目标粒子群算法的输入相连接；
[0122]
clarke变换模块的输出与park变换模块的输入相连接，乘法器的输出分别与park变换模块和ipark变换模块的输入相连接，park变化模块的输出分别与负载力矩估算模块、第四减法器和第五减法器的输入相连接，负载力矩估算模块的输出与第一减法器的一个输入；第五减法器的另一个输入为给定由于本系统采用了的foc基本控制方法，因此给定
[0123]
第四减法器和第五减法器的输出均与电流pi控制器的输入相连接，电流pi控制器的输出依次经过ipark变换模块和空间矢量脉宽调制模块(svpwm)模块与三相逆变器相连接，通过三相逆变器驱动永磁同步电机(pmsm)。
[0124]
利用上述基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统对永磁同步电机进行控制的方法如下：力pi控制器的输入为第一减法器的输出输出为力控制给定电流位置控制电流给定计算模块(包括位置p控制器与速度pi控制器)的输入为第二减法器的输出输出为位置控制给定电流多目标粒子群算法模块根据输入的以及构建目标函数，对当前电机的力控制和位置控制情况进行评估，并通过多目标粒子群算法得到最优的优化因子，通过最优的优化因子将力控制给定电流和位置控制给定电流整合输出为力位混合控制电流给定同时，通过两相霍尔电流传感器采集两相相电流ia和ib作为clarke变换模块的输入，得到静止两相坐标系下实际电流ia和i
β
作为park变换模块的输入。通过编码器采集实际位置θm输入到第二减法器和乘法器中，通过乘法器的算式θe＝pn·
θm(pn为电机的极对数)，得到的实际电角度θe进入park变换模块和ipark变换模块中。park变换模块输出实际直轴电流id给第五减法器，输出实际交轴电流iq至第四减法器，同时输出实际直轴电流id和实际交轴电流iq均输出给负载力矩估算模块；随后，电流pi控制器输出给定交轴电压和给定直轴电压作为ipark变换模块的输入；ipark变换模块输出静止两相坐标系下的给定电压和作为空间矢量脉宽调制模块(svpwm)模块的输入；通过空间矢量脉宽调制模块(svpwm)模块输出的6路pwm信号控制三相逆变器进行电压输出，从而驱动永磁同步电机(pmsm)。具体过程为：
[0125]
步骤1、clarke变换模块原理，如图5所示。
[0126]
通过两个霍尔电流传感器采集电流信号的方法得到永磁同步电机的的三相坐标系下的两相相电流ia和ib，并输入到clarke变换模块，clarke变换模块的变换公式为：
[0127][0128]
其中，相电流ic通过算式ia ib ic＝0计算出来；
[0129]
clarke变换模块的输出为静止两相坐标系下的实际电流ia和i
β
，作为park变换模块的输入。
[0130]
步骤2、park变换模块原理，如图6所示。步骤1输入的静止两相坐标系下的电流ia和i
β
与永磁同步电机的实际位置θm经过乘法器得到的实际电角度θe一起经过park变换模块获得同步旋转坐标系下的实际直轴电流id和实际交轴电流iq，park变换公式为：
[0131][0132]
其中，θe为实际电角度，永磁同步电机的实际位置θm经过乘法器θe＝pn·
θm得到θe，pn为永磁同步电机极对数。
[0133]
park变换模块输出的同步旋转坐标系下的实际直轴电流id给第五减法器，输出实际交轴电流iq至第四减法器，同时输出实际直轴电流id和实际交轴电流iq给负载力矩估算模块。
[0134]
步骤3、负载力矩估算模块
[0135]
采用编码器采集得到永磁同步电机(pmsm)的实际位置θm经过求导器计算获得实际角速度ωm＝dθm/dt，然后将实际角速度ωm分别输出给负载力矩估算模块和第三减法器；
[0136]
步骤2的输出实际直轴电流id和实际交轴电流iq，以及求导器的输出实际角速度ωm作为负载力矩估算模块的输入，输出为估算负载力矩作为第一减法器的输入。其实现的具体步骤如下：
[0137]
永磁同步电机的电磁转矩方程如下：
[0138][0139]
其中，te是电磁转矩，ld是电机直轴电感，lq是电机交轴电感，是永磁体磁链。
[0140]
永磁同步电机的机械运动方程如下：
[0141][0142]
其中，j是电机转动惯量，t
l
是实际负载力矩，b是粘滞系数。
[0143]
选取状态变量为：
[0144]
x＝[ω
m t
l
]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0145]
实际角速度ωm可测，实际负载力矩t
l
不可测，而是通过设计的负载力矩观测器估
算得到。
[0146]
根据式(3)和式(4)，写出状态空间方程如下：
[0147][0148]
其中，为机械角速度的一阶导数，为实际负载力矩的一阶导数。
[0149]
然后，根据龙伯格(luenberger)观测器的一般设计方法，设计负载力矩观测器如公式(7)：
[0150][0151]
其中，为估算机械角速度的一阶导数，为估算负载力矩的一阶导数，l1和l2分别是反馈系数。
[0152]
由此构建如图10的基于德斯拜思机电控制技术公司的dspace的半实物电机测试平台的闭环反馈算法，可对实际负载力矩t
l
进行观测，替代转矩传感器，进一步降低了该力位混合控制系统的成本。
[0153]
步骤4、力pi控制器，如图2所示，输入的给定转矩t
*
和负载力矩估算模块得到的估算负载力矩经过第一减法器后，即给定转矩t
*
与估算负载力矩的误差作为力pi控制器的输入，力pi控制器的力控制给定电流的计算如公式(8)所示：
[0154][0155]
其中，k
pt
是力pi控制器的比例系数；k
it
是力pi控制器的积分系数。
[0156]
公式(8)在计算机离散系统中的形式为：
[0157][0158]
其中，k是某一采样时刻，ts是采样时间。
[0159]
将给定转矩t
*
与估算负载力矩的误差(即)和力控制给定电流一同输入到多目标粒子群算法模块中。力pi控制器的作用是使电机输出给定转矩t
*
，完成力控制。
[0160]
步骤5、位置控制电流给定计算模块包括位置p控制器和速度pi控制器，如图3所示，
[0161]
采用编码器采集得到永磁同步电机(pmsm)的实际位置θm经过求导器计算获得实际角速度ωm＝dθm/dt；输入的给定位置与实际位置θm经过第二减法器后作为位置控制
电流给定计算模块的输入，即将给定位置与实际位置θm的误差作为位置p控制器的输入，经过位置p控制器输出给定转速然后将给定转速与实际角速度ωm经过第三减法器得到的给定转速与实际角速度ωm误差(即)作为速度pi控制器输入，速度pi控制器的输出为位置控制给定电流如公式(10)所示：
[0162][0163]
其中，k
pp
是位置p控制器的比例系数；k
ps
是速度pi控制器的比例系数；k
is
是速度pi控制器的积分系数，并且有
[0164]
公式(10)在计算机离散系统中的形式为：
[0165][0166]
将给定位置与实际位置θm的误差(即)和位置控制给定电流一同输入到多目标粒子群算法模块中。位置控制电流给定计算模块的作用是使电机输出给定位置θm，完成位置控制。
[0167]
步骤6、多目标粒子群算法的实现方法流程，如图4所示。多目标粒子群算法目前已被广泛应用于函数优化、神经网络训练、模糊系统控制以及其他遗传算法的应用领域。其建立在粒子群算法的基础上，通过设计一种无质量的粒子来模拟鸟群中的鸟，粒子仅具有两个属性：速度和位置，速度代表移动的快慢，位置代表移动的方向。每个粒子在搜索空间中单独的搜寻最优解，并将其记为当前个体极值，并将个体极值与整个粒子群里的其他粒子共享，找到最优的那个个体极值作为整个粒子群的当前全局极值，粒子群中的所有粒子根据自己找到的当前个体极值和整个粒子群共享的当前全局极值来调整自己的速度和位置。
[0168]
其实现的具体步骤如下：
[0169]
(1)初始化群体规模为n的粒子群，即在定义域内随机设置各粒子的初始速度和位置，如公式(12)所示；
[0170]
vi∈[v
min
,v
max
],xi∈[x
min
,x
max
],i＝1,2,
…
,n-1,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0171]
其中，vi为各个粒子的速度，v
min
和v
max
分别为速度的定义域范围，xi为各个粒子的位置，x
min
和x
max
分别为位置的定义域范围，n为粒子的总数。
[0172]
(2)根据给定转矩t
*
与估算负载力矩的误差(即)以及给定位置与实际位置θm的误差(即)分别构建目标函数，分别如公式(13)所示；
[0173][0174]
其中，f
li
是评价力控制的指标，f
wei
是控制位置控制的指标。
[0175]
(3)根据不同的应用需求，构建总体评价函数，如公式(14)所示：
[0176][0177]
其中r(0≤r≤1)是一个力控制侧重系数，它越大，则系统越注重力控制，力控制效果会更加优越。
[0178]
通过该总体评价函数计算每个粒子的适应度值，并得到全局极值gbest，也就是当前所有粒子中最小的适应度值，如公式(15)所示；
[0179]
gbest＝min[fi],i＝1,2,
…
,n-1,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0180]
(4)根据公式(16)，计算得到个体极值pbesti，也就是每个个体在历次更新中的最小值；
[0181]
pbesti＝min[f(n)],n＝1,2,
…
,d-1,d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0182]
其中，d为迭代次数。
[0183]
(5)在通过第(3)步和第(4)步得到全局极值和个体极值后，根据公式(17)，更新每个粒子的速度和位置；
[0184]
vi(n)＝vi(n-1) c1×
rand()
×
(pbesti(n-1)-xi(n-1))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0185]
c2×
rand()
×
(gbest(n-1)-xi(n-1))
[0186]
xi(n)＝xi(n-1) vi(n)
[0187]
其中，vi(n)和xi(n)表示当前次迭代各个粒子的速度和位置，vi(n-1)和xi(n-1)表示上一次迭代的各个粒子的速度和位置，rand()为介于0和1之间的随机数，c1和c2分别代表对个体自身和对全局整体的学习因子。
[0188]
(6)根据终止条件公式(18)，评价适应度值，若满足终止条件，输出最优的优化因子a＝xi，并根据公式(19)输出整合力控制和位置控制的力位混合控制电流给定
[0189]
f≤thr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)其中，thr为设定的总体评价函数阈值。
[0190][0191]
其中，a(0≤a≤1)为力控制和位置控制的集成优化因子，本发明通过多目标粒子群算法的计算来自动调整集成优化因子a，具有计算简单、收敛速度快和参数调节灵活等优点，可同时实现位置控制和力控制的集成优化。
[0192]
(7)不满足终止条件的回到第(2)步，再次进入迭代过程中，直到满足终止条件或达到最高迭代次数。
[0193]
(8)在大量进行训练后，生成离线表，使得每一个转矩给定和位置给定，都能找到一个最优的集成优化因子a，从而实现电机的力控制和位置控制兼优。
[0194]
输出的力位混合控制电流给定输入到第四减法器中。
[0195]
步骤7、电流pi控制器模块的原理，如图7所示，包括交轴电流pi控制器和直轴电流pi控制器，交轴电流pi控制器的输入为力位混合控制电流给定与实际交轴电流iq经过第四减法器获得的力位混合控制电流给定与实际交轴电流iq误差(即)，经过交轴电
流pi控制器的计算后输出给定交轴电压由于本系统采用了id＝0的foc基本控制方法，因此直轴电流pi控制器的输入为给定直轴电流与实际直轴电流id经过第五减法器获得的给定直轴电流与实际直轴电流id的误差(即)，经过直轴电流pi控制器的计算后输出给定直轴电压如公式(20)所示。
[0196][0197]
其中，k
piq
是交轴电流pi控制器的比例系数；k
iiq
是交轴电流pi控制器的积分系数；k
pid
是直轴电流pi控制器的比例系数；k
iid
是直轴电流pi控制器的积分系数。
[0198]
公式(20)在计算机离散系统中的形式为：
[0199][0200]
输出的给定交轴电压和给定直轴电压一同输入到ipark变换模块中。
[0201]
步骤8、ipark变换模块原理，如图8所示。其作用是将同步旋转坐标系下的给定交轴电压和给定直轴电压变换为静止两相坐标系下的给定电压和ipark变换公式为：
[0202][0203]
输出的两相静止坐标系下的给定电压和一同输入到空间矢量脉宽调制模块(svpwm)中；θe为实际电角度，由永磁同步电机的实际位置θm经过乘法器而获得。
[0204]
步骤9、空间矢量脉宽调制模块(svpwm)原理，如图9所示。步骤7输入的静止两相坐标系下的电压给定值和通过空间矢量脉宽调制模块(svpwm)，得到的六路pwm信号作为控制三相逆变器的输入。
[0205]
空间矢量脉宽调制模块(svpwm)根据空间电压矢量切换来控制三相逆变器输出三相互差120
°
电角度的正弦波相电压波形，从而使得电机定子绕组得到互差120
°
电角度的正弦波相电流波形。它通过输入的静止两相坐标系下的电压给定值，解算得到当前转子所在位置，再按照七段式输出方法对应地输出六个pwm信号，从而控制三相逆变器及电机。
[0206]
步骤10、三相逆变器根据步骤9输入的六路pwm信号，按照六个pwm信号的对六个开关管作开关动作，控制母线电压u
dc
输入到永磁同步电机中，实现永磁同步电机的驱动。
[0207]
本发明中的三相逆变器是典型的两电平三相电压源逆变器，由三路上下桥臂(六个开关器件)组成，空间矢量脉宽调制模块(svpwm)算法输出的六个pwm信号即分别施加到六个开关器件上，当某个上桥臂开关器件开通时，母线电压即从该上桥臂开关器件施加到电机定子绕组上。通过一系列通断组合，母线电压规则地施加到电机上，从而驱动电机。
[0208]
实验1：
[0209]
按实施例1对基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统进行半实物仿真。为了验证本方法的有效性，设计了基于德斯拜思机电控制技术公司的dspace的半实物电机测试平台，这是一套可快速进行算法研究的半实物仿真系统，如图10所示。该平台主要由永磁同步电机(pmsm)、编码器、联轴器、磁粉制动器、转矩转速传感器、底座、驱动器(sd800)、转接板、dspace(ds1202)和pc上位机等组成。实验中，可自行在pc上位机中设置给定位置和给定转矩t
*
，经实施例1的算法步骤1-10后输出控制信号给驱动器，驱动器带动电机运行，编码器和转矩转速传感器获得实际位置θm、实际角速度ωm和实际负载力矩t
l
等信号，并将其反馈到dspace中进行闭环控制。
[0210]
在给定位置分别为5000个脉冲、10000个脉冲和40000个脉冲时，对实施例1的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统进行给定转矩t
*
分别为空载(0n.m)、半载(3n.m)和满载(6n.m)条件下进行半实物仿真，实验结果如下表1所示。
[0211]
表1基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统实验数据表
[0212][0213][0214]
通过实验数据可知，实施例1的基于负载力矩估算的永磁同步电机力位混合控制系统能够在不同的给定位置和给定转矩下，自动选择本算法下最优的集成优化因子，实现力和位置控制的集成兼优。并且，在更希望侧重位置控制的条件下(力侧重系数r＝0.1)，稳态下位置误差最小；在兼顾力控制和位置控制的条件下(力侧重系数r＝0.5)，稳态下转矩误差和位置误差均适中；更希望侧重力控制的条件下(力侧重系数r＝0.9)，稳态下转矩误差最小，这有利于在不同需求下应用该算法，达到了发明的目的。
[0215]
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。