本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機(jī)控制領(lǐng)域，特別涉及一種多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

開關(guān)磁阻電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、起動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大、效率高等系列優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了迅速的推廣應(yīng)用。然而在一些復(fù)雜的多電機(jī)傳動系統(tǒng)中，涉及到多電機(jī)的同步運(yùn)行問題，因而需要對多電機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)速的同步控制。目前在有關(guān)多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方面已開展了一些研究工作，提出了主令控制、主從控制、耦合控制以及虛擬主軸控制等多種控制方法，雖取得了一定的控制效果，但仍存在不足：如主令控制每個運(yùn)動軸并行工作，互不相干，當(dāng)其中一個軸受到擾動時，只能靠該軸本身來調(diào)節(jié)，其他軸不會做出響應(yīng)，僅適用于受干擾較少的場合；主從控制與主令控制類似，只是將運(yùn)動軸分為主軸和從軸，從軸的參考信號來自主軸的輸出，當(dāng)主軸受到擾動時，從軸能做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，而當(dāng)從軸受到擾動時，主軸則不會做出相應(yīng)的響應(yīng)；耦合式控制雖然解決了上述方法中電機(jī)間不存在耦合的問題，但是由于引入了軸間參數(shù)耦合，使得系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性變差；虛擬主軸模擬了機(jī)械硬軸連接的物理特性，因而具有與其類似的固有同步特性，但是虛擬主軸在負(fù)載擾動、啟動或停機(jī)過程中會產(chǎn)生失同步的現(xiàn)象等。因此針對多開關(guān)磁阻電機(jī)研究更為有效的轉(zhuǎn)速同步控制方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、控制精確的多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制裝置，并提供一種多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制裝置，包括轉(zhuǎn)速給定模塊、虛擬主軸控制器、磁鏈給定模塊和多個電機(jī)控制模塊，轉(zhuǎn)速給定模塊的輸出端與虛擬主軸控制器的輸入端相連；每個電機(jī)控制模塊均包括電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊、電機(jī)自抗擾控制模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算模塊、電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊、加法器、電機(jī)磁鏈估算模塊、電機(jī)磁鏈比較模塊和電機(jī)控制器；每個電機(jī)控制模塊中，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊的輸入端與相應(yīng)電機(jī)相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊的輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊、虛擬主軸控制器的輸入端相連，虛擬主軸控制器的輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的輸入端相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊的輸出端與電機(jī)自抗擾控制模塊的輸入端相連，電機(jī)自抗擾控制模塊的輸出端與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊的輸入端相連，電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的輸出端與加法器的輸入端相連，所述電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算模塊的輸入端與相應(yīng)電機(jī)相連，電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算模塊的輸出端與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊的輸入端相連，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊的輸出端與加法器的輸入端相連，加法器的輸出端與電機(jī)控制器的輸入端相連，所述電機(jī)磁鏈估算模塊的輸入端與相應(yīng)電機(jī)相連，電機(jī)磁鏈估算模塊的輸出端與電機(jī)磁鏈比較模塊的輸入端相連，電機(jī)磁鏈比較模塊的輸出端與電機(jī)控制器相連，電機(jī)控制器與相應(yīng)電機(jī)相連；所述磁鏈給定模塊的輸出端與每個電機(jī)控制模塊中電機(jī)磁鏈比較模塊的輸入端相連。

一種多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，包括以下步驟：

步驟一：設(shè)定系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速ω^*，同時檢測各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi(i＝1,2…n)，n表示電機(jī)數(shù)，經(jīng)虛擬主軸控制器運(yùn)算處理后，得到虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr，并將其作為各電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速；虛擬主軸控制器根據(jù)各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi(i＝1,2…n)及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量ji(i＝1,2…n)，經(jīng)運(yùn)算得到各電機(jī)的權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw，并將其作為各電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的參考轉(zhuǎn)速；

步驟二：將各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr比較，其偏差經(jīng)自抗擾控制器運(yùn)算處理后得到各電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩ti^*(i＝1,2…n)，同時由轉(zhuǎn)矩估算模塊得到各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩ti(i＝1,2…n)，并將該實(shí)際轉(zhuǎn)矩ti與上述參考轉(zhuǎn)矩ti^*比較，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩偏差δti(i＝1,2…n)；

步驟三：各電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊根據(jù)其實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw運(yùn)算處理得到相應(yīng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′(i＝1,2…n)，并將該補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′與上述轉(zhuǎn)矩偏差δti求和，得到該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量δti″(i＝1,2…n)；

步驟四：估算各電機(jī)的實(shí)際磁鏈ψi(i＝1,2…n)，并將其與系統(tǒng)給定磁鏈ψ^*進(jìn)行比較，得到各電機(jī)的磁鏈偏差δψi(i＝1,2…n)；

步驟五：將轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量δti″和磁鏈偏差δψi經(jīng)電機(jī)控制器運(yùn)算處理后，輸出控制信號控制電機(jī)所對應(yīng)功率變換器中功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，從而使各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*的準(zhǔn)確跟蹤，達(dá)到多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制的目的。

上述多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，所述步驟一中虛擬主軸控制器得到虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的方法包括：

1-1-1)設(shè)定系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*，同時檢測虛擬主軸控制器輸出的初始轉(zhuǎn)速ωr′，并將其與系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*比較，其偏差由胡克定律得到虛擬主軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩tr，如式(1)所示：

tr＝br(ω^*-ωr′)+kr∫(ω^*-ωr′)dt(1)

其中：br為虛擬主軸的衰減系數(shù)，kr為虛擬主軸彈性系數(shù)；

1-1-2)將各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*比較，其偏差由胡克定律得到各電機(jī)虛擬傳動軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，如式(2)所示：

ti′＝bi(ω^*-ωi)+ki∫(ω^*-ωi)dt(2)

其中：bi為電機(jī)i傳動軸的衰減系數(shù)，ki為電機(jī)i傳動軸的彈性系數(shù)；

1-1-3)將虛擬主軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與各電機(jī)虛擬傳動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之和進(jìn)行比較，其偏差由剛性定軸旋轉(zhuǎn)定律得到調(diào)整后的虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr，即：

其中：jr為虛擬主軸的轉(zhuǎn)動慣量；

1-1-4)將調(diào)整后的虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr作為各電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速。

上述多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，采用果蠅優(yōu)化算法來優(yōu)化所述虛擬主軸衰減系數(shù)br和虛擬主軸彈性系數(shù)kr，具體如下：

以虛擬主軸衰減系數(shù)br和虛擬主軸彈性系數(shù)kr為優(yōu)化對象，以系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的偏差δωr及系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的偏差δωw為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化步驟如下：

①：分別設(shè)定優(yōu)化對象br與kr的果蠅初始個體位置為xc(xc0,yc0)和xc′(x′c0,y′c0)(c為果蠅個體數(shù)，c＝1,2…n′)，同時設(shè)定最大迭代次數(shù)為maxgen；

②：隨機(jī)生成果蠅的搜索方向與距離，分別如式(4)和式(5)所示：

其中：dxc、dyc、d′xc和d′yc為隨機(jī)值；

③：以果蠅個體距原點(diǎn)的距離的倒數(shù)作為味道濃度的判斷值sc和sc′，其表達(dá)式分別為：

④：將一組味道濃度判定值代入多開關(guān)磁阻電機(jī)虛擬主軸同步控制模型，得到相應(yīng)的δωrc和δωwc；

⑤：構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)h(c)，如式(8)所示：

其中：d1與d2為權(quán)重系數(shù)，d1>0，d2>0且d1+d2＝1，取d1＝d2＝0.5；

⑥：保留式(8)的極大值，即當(dāng)前最高味道濃度，并保存此時果蠅群體的位置；

⑦：進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)步驟②-步驟⑥，并判斷果蠅新個體的味道濃度是否優(yōu)于當(dāng)前最高味道濃度值，若是則更新當(dāng)前最高味道濃度和果蠅群體的初始位置；否則返回步驟②，直至當(dāng)前迭代次數(shù)等于最大迭代次數(shù)maxgen或已達(dá)到目標(biāo)精度要求時再執(zhí)行步驟⑧；

⑧：迭代尋優(yōu)結(jié)束后，保留最佳味道濃度值與此時果蠅的位置，即得到最優(yōu)的虛擬主軸衰減系數(shù)br和虛擬主軸彈性系數(shù)kr。

上述多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，所述步驟(1)中虛擬主軸控制器計算權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的方法為：

1-2-1)確定各電機(jī)的權(quán)重系數(shù)gi：

根據(jù)各電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量ji(i＝1,2…n)，確定各電機(jī)的權(quán)重系數(shù)gi(i＝1,2…n)，即：

1-2-2)計算權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw：

根據(jù)各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi及其相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)gi，得到系統(tǒng)的權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw，如式(10)所示：

上述多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，所述步驟二中參考轉(zhuǎn)矩ti^*的獲取方法如下：

2-1)以電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的偏差δωi作為電機(jī)i自抗擾控制模塊的輸入，對電機(jī)i的總擾動yi進(jìn)行實(shí)時估計，如式(11)所示：

yi＝-βi1fal(δωi,α1,η)(11)

式中：yi表示電機(jī)i運(yùn)行過程中受到的總擾動；βi1(i＝1,2…n)為增益系數(shù)；函數(shù)fal(δωi,α1,η)的表達(dá)式如式(12)所示：

式中：參數(shù)α1為0～1之間的常數(shù)，一般取α1＝0.25；參數(shù)η為影響濾波效果的常數(shù)，取η＝0.5；

2-2)由δωi得到非線性誤差反饋控制律為：

ui0(t)＝βi2fal(δωi,α2,η)(13)

式中：βi2(i＝1,2…n)為增益系數(shù)；函數(shù)fal(δωi,α2,η)的表達(dá)式如式(14)所示：

其中：參數(shù)α2為0～1之間的常數(shù)，取α2＝0.75；

2-3)根據(jù)式(11)和式(13)，得到電機(jī)i的參考轉(zhuǎn)矩ti*為：

ti^*＝ui0(t)-yi/ei(15)

其中：ei(i＝1,2…n)為擾動補(bǔ)償系數(shù)。

上述多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，采用果蠅優(yōu)化算法來優(yōu)化所述增益系數(shù)βi1、βi2和擾動補(bǔ)償系數(shù)ei，具體如下：

以第i臺電機(jī)自抗擾控制器的增益系數(shù)βi1、βi2和擾動補(bǔ)償系數(shù)ei為優(yōu)化對象，以轉(zhuǎn)速偏差δωi為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化步驟如下：

2-1-1)：分別設(shè)定優(yōu)化參數(shù)βi1、βi2和ei的果蠅初始個體位置為xe(xe0,ye0)，xe′(x′e0,y′e0)和x″e(x″e0,y″e0)(e為果蠅個體數(shù)，e＝1,2…n″)，同時設(shè)定最大迭代次數(shù)為maxgen′；

2-1-2)：隨機(jī)生成果蠅的搜索方向與距離：

其中：dxe、dye、d′xe、d′ye、d″xe和d″ye為隨機(jī)值

2-1-3)：以果蠅個體距原點(diǎn)的距離的倒數(shù)作為味道濃度的判斷值se、se′和s″e，其表達(dá)式分別如下：

2-1-4)：將味道濃度判定值代入自抗擾控制器，并對自抗擾控制器進(jìn)行仿真，確定各味道濃度判定值所對應(yīng)的味道濃度we，we的表達(dá)式如式(22)所示：

式中：表示取一組味道濃度判定值時，自抗擾控制器輸入與輸出之間的誤差；

2-1-5)：保留式(22)的極大值，即當(dāng)前最高味道濃度，并保留此時果蠅的位置；

2-1-6)：進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)執(zhí)行步驟2-1-2)-步驟2-1-5)，并判斷此時果蠅個體的味道濃度是否優(yōu)于當(dāng)前最高味道濃度值，若是，則更新當(dāng)前果蠅最高味道濃度和果蠅群體的初始位置；否則返回步驟2-1-2)，至當(dāng)前迭代次數(shù)等于最大迭代次數(shù)maxgen′或已達(dá)到目標(biāo)要求精度時再執(zhí)行步驟2-1-7)；

步驟2-1-7)：迭代尋優(yōu)結(jié)束后，保留最佳味道濃度值與此時果蠅個體的位置，即得到電機(jī)i最優(yōu)的自抗擾控制參數(shù)βi1、βi2、ei；

采用果蠅優(yōu)化算法求出第i臺電機(jī)的控制參數(shù)βi1、βi2及ei后，利用時間尺度法得到其它電機(jī)的控制參數(shù)，方法如下：

?。焊鶕?jù)第i臺電機(jī)相電流和轉(zhuǎn)速的狀態(tài)方程得到第i臺電機(jī)的時間尺度pi，如式(23)所示：

其中：iin為第i臺電機(jī)的額定電流；ni0為第i臺電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；ji為第i臺電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；bi為第i臺電機(jī)的摩擦系數(shù)；limin為第i臺電機(jī)定子凸極與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合位置時的電感，即相電感最小值；為第i臺電機(jī)相電感隨位置角的變化率；

ⅱ：再根據(jù)式(23)計算出第k臺電機(jī)(k＝1～n,且k≠i)的時間尺度pk，由電機(jī)i和電機(jī)k的時間尺度pi和pk以及電機(jī)i的控制參數(shù)βi1、βi2、ei，即可得到電機(jī)k相應(yīng)的控制參數(shù)βk1、βk2、ek，分別如式(24)～(26)所示：

ek＝ei(26)。

上述多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，所述步驟三中，第i臺電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′的獲取方式如下：

1)以電機(jī)i的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的偏差及其積分作為狀態(tài)變量，分別如式(27)、(28)所示：

xi1＝ωw-ωi(i＝1,2…n)(27)

2)設(shè)定積分滑模面函數(shù)，如式(29)所示：

si＝xi1+cxi2(i＝1,2…n)(29)

其中：c為正常數(shù)；

3)根據(jù)已建立的滑模面函數(shù)采用指數(shù)趨近律來設(shè)計轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償器，所采用的指數(shù)趨近律表達(dá)式為：

其中：ε、k均為正常數(shù)，sgn(si)為符號函數(shù)；

4)根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動方程以及式(29)、(30)確定補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′為：

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明針對多開關(guān)磁阻電機(jī)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)，采用虛擬主軸控制法并結(jié)合轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步運(yùn)行。其基本原理為：設(shè)定系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速，同時檢測各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)虛擬主軸控制器運(yùn)算處理得到虛擬主軸轉(zhuǎn)速，并將其作為各電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速；同時虛擬主軸控制器還根據(jù)各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)動慣量計算出系統(tǒng)的權(quán)重平均轉(zhuǎn)速，并將其作為各電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的參考轉(zhuǎn)速；然后將各電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與其給定轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)自抗擾控制模塊處理得到各電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩，并將其與該電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩比較得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩偏差；同時各電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊根據(jù)該電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)權(quán)重平均轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，并將該補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩與上述轉(zhuǎn)矩偏差求和得到該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量；另外，各電機(jī)實(shí)際磁鏈與系統(tǒng)給定磁鏈比較獲得相應(yīng)的磁鏈偏差，最后電機(jī)控制器根據(jù)上述轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量及磁鏈偏差對電機(jī)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)各電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確跟蹤，達(dá)到多電機(jī)轉(zhuǎn)速同步運(yùn)行的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明虛擬主軸控制器控制流程圖。

圖3為本發(fā)明控制方法的流程圖。

圖4為本發(fā)明自抗擾控制器控制參數(shù)優(yōu)化流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

一種多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制裝置，包括轉(zhuǎn)速給定模塊、虛擬主軸控制器、磁鏈給定模塊和多個電機(jī)控制模塊，轉(zhuǎn)速給定模塊的輸出端與虛擬主軸控制器的輸入端相連；每個電機(jī)控制模塊均包括電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊、電機(jī)自抗擾控制模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算模塊、電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊、加法器、電機(jī)磁鏈估算模塊、電機(jī)磁鏈比較模塊和電機(jī)控制器；每個電機(jī)控制模塊中，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊的輸入端與相應(yīng)電機(jī)相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊的輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊、虛擬主軸控制器的輸入端相連，虛擬主軸控制器的輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的輸入端相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速比較模塊的輸出端與電機(jī)自抗擾控制模塊的輸入端相連，電機(jī)自抗擾控制模塊的輸出端與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊的輸入端相連，電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的輸出端與加法器的輸入端相連，所述電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算模塊的輸入端與相應(yīng)電機(jī)相連，電機(jī)轉(zhuǎn)矩估算模塊的輸出端與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊的輸入端相連，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較模塊的輸出端與加法器的輸入端相連，加法器的輸出端與電機(jī)控制器的輸入端相連，所述電機(jī)磁鏈估算模塊的輸入端與相應(yīng)電機(jī)相連，電機(jī)磁鏈估算模塊的輸出端與電機(jī)磁鏈比較模塊的輸入端相連，電機(jī)磁鏈比較模塊的輸出端與電機(jī)控制器相連，電機(jī)控制器與相應(yīng)電機(jī)相連；所述磁鏈給定模塊的輸出端與每個電機(jī)控制模塊中電機(jī)磁鏈比較模塊的輸入端相連。

如圖2-4所示，一種多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制方法，包括以下步驟：

步驟一：設(shè)定系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速ω^*，同時檢測各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi(i＝1,2…n)，n表示電機(jī)數(shù)，經(jīng)虛擬主軸控制器運(yùn)算處理后，得到虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr，并將其作為各電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速；虛擬主軸控制器根據(jù)各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi(i＝1,2…n)及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量ji(i＝1,2…n)，經(jīng)運(yùn)算得到各電機(jī)的權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw，并將其作為各電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊的參考轉(zhuǎn)速。

虛擬主軸控制器得到虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的方法包括：

1-1-1)設(shè)定系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*，同時檢測虛擬主軸控制器輸出的初始轉(zhuǎn)速ωr′，并將其與系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*比較，其偏差由胡克定律得到虛擬主軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩tr，如式(1)所示：

tr＝br(ω^*-ωr′)+kr∫(ω^*-ωr′)dt(1)

其中：br為虛擬主軸的衰減系數(shù)，kr為虛擬主軸彈性系數(shù)；

1-1-2)將各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*比較，其偏差由胡克定律得到各電機(jī)虛擬傳動軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，如式(2)所示：

ti′＝bi(ω^*-ωi)+ki∫(ω^*-ωi)dt(2)

其中：bi為電機(jī)i傳動軸的衰減系數(shù)，ki為電機(jī)i傳動軸的彈性系數(shù)；

1-1-3)將虛擬主軸的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與各電機(jī)虛擬傳動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之和進(jìn)行比較，其偏差由剛性定軸旋轉(zhuǎn)定律得到調(diào)整后的虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr，即：

其中：jr為虛擬主軸的轉(zhuǎn)動慣量；

1-1-4)將調(diào)整后的虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr作為各電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速。

采用果蠅優(yōu)化算法來優(yōu)化所述虛擬主軸衰減系數(shù)br和虛擬主軸彈性系數(shù)kr，具體如下：

以虛擬主軸衰減系數(shù)br和虛擬主軸彈性系數(shù)kr為優(yōu)化對象，以系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的偏差δωr及系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的偏差δωw為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化步驟如下：

①：分別設(shè)定優(yōu)化對象br與kr的果蠅初始個體位置為xc(xc0,yc0)和xc′(x′c0,y′c0)(c為果蠅個體數(shù)，c＝1,2…n′)，同時設(shè)定最大迭代次數(shù)為maxgen；

②：隨機(jī)生成果蠅的搜索方向與距離，分別如式(4)和式(5)所示：

其中：dxc、dyc、d′xc和d′yc為隨機(jī)值；

③：以果蠅個體距原點(diǎn)的距離的倒數(shù)作為味道濃度的判斷值sc和sc′，其表達(dá)式分別為：

④：將一組味道濃度判定值代入多開關(guān)磁阻電機(jī)虛擬主軸同步控制模型，得到相應(yīng)的δωrc和δωwc；δωrc和δωwc分別表示將sc，sc′代入模型后，系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的偏差及系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的偏差；

⑤：構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)h(c)，此函數(shù)表示該優(yōu)化步驟的優(yōu)化目標(biāo)，即達(dá)到δωrc和δωwc最小的目的，如式(8)所示：

其中：d1與d2為權(quán)重系數(shù)，d1>0，d2>0且d1+d2＝1，取d1＝d2＝0.5；

⑥：保留式(8)的極大值，即當(dāng)前最高味道濃度，并保存此時果蠅群體的位置；

⑦：進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)步驟②-步驟⑥，并判斷果蠅新個體的味道濃度是否優(yōu)于當(dāng)前最高味道濃度值，若是則更新當(dāng)前最高味道濃度和果蠅群體的初始位置；否則返回步驟②，直至當(dāng)前迭代次數(shù)等于最大迭代次數(shù)maxgen或已達(dá)到目標(biāo)精度要求時再執(zhí)行步驟⑧；

⑧：迭代尋優(yōu)結(jié)束后，保留最佳味道濃度值與此時果蠅的位置，即得到最優(yōu)的虛擬主軸衰減系數(shù)br和虛擬主軸彈性系數(shù)kr。

虛擬主軸控制器計算權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的方法為：

1-2-1)確定各電機(jī)的權(quán)重系數(shù)gi：

根據(jù)各電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量ji(i＝1,2…n)，確定各電機(jī)的權(quán)重系數(shù)gi(i＝1,2…n)，即：

1-2-2)計算權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw：

根據(jù)各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi及其相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)gi，得到系統(tǒng)的權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw，如式(10)所示：

步驟二：將各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr比較，其偏差經(jīng)自抗擾控制器運(yùn)算處理后得到各電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩ti^*(i＝1,2…n)，同時由轉(zhuǎn)矩估算模塊得到各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩ti(i＝1,2…n)，并將該實(shí)際轉(zhuǎn)矩ti與上述參考轉(zhuǎn)矩ti^*比較，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩偏差δti(i＝1,2…n)。

參考轉(zhuǎn)矩ti^*的獲取方法如下：

2-1)以電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與虛擬主軸轉(zhuǎn)速ωr的偏差δωi作為電機(jī)i自抗擾控制模塊的輸入，對電機(jī)i的總擾動yi進(jìn)行實(shí)時估計，如式(11)所示：

yi＝-βi1fal(δωi,α1,η)(11)

式中：yi表示電機(jī)i運(yùn)行過程中受到的總擾動；βi1(i＝1,2…n)為增益系數(shù)；函數(shù)fal(δωi,α1,η)的表達(dá)式如式(12)所示：

式中：參數(shù)α1為0～1之間的常數(shù)，一般取α1＝0.25；參數(shù)η為影響濾波效果的常數(shù)，取η＝0.5；

2-2)由δωi得到非線性誤差反饋控制律為：

ui0(t)＝βi2fal(δωi,α2,η)(13)

式中：βi2(i＝1,2…n)為增益系數(shù)；函數(shù)fal(δωi,α2,η)的表達(dá)式如式(14)所示：

其中：參數(shù)α2為0～1之間的常數(shù)，一般取α2＝0.75；

2-3)根據(jù)式(11)和式(13)，得到電機(jī)i的參考轉(zhuǎn)矩ti*為：

ti^*＝ui0(t)-yi/ei(15)其中：ei(i＝1,2…n)為擾動補(bǔ)償系數(shù)。

如圖4所示，采用果蠅優(yōu)化算法來優(yōu)化所述增益系數(shù)βi1、βi2和擾動補(bǔ)償系數(shù)ei，具體如下：

以第i臺電機(jī)自抗擾控制器的增益系數(shù)βi1、βi2和擾動補(bǔ)償系數(shù)ei為優(yōu)化對象，以轉(zhuǎn)速偏差δωi為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化步驟如下：

2-1-1)：分別設(shè)定優(yōu)化參數(shù)βi1、βi2和ei的果蠅初始個體位置為xe(xe0,ye0)，xe′(x′e0,y′e0)和x″e(x″e0,y″e0)(e為果蠅個體數(shù)，e＝1,2…n″)，同時設(shè)定最大迭代次數(shù)為maxgen′；

2-1-2)：隨機(jī)生成果蠅的搜索方向與距離：

其中：dxe、dye、d′xe、d′ye、d″xe和d″ye為隨機(jī)值

2-1-3)：以果蠅個體距原點(diǎn)的距離的倒數(shù)作為味道濃度的判斷值se、se′和s″e，其表達(dá)式分別如下：

2-1-4)：將一組味道濃度判定值代入自抗擾控制器，并對自抗擾控制器進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，確定各味道濃度判定值所對應(yīng)的味道濃度we，we的表達(dá)式如式(22)所示：

式中：表示取一組味道濃度判定值時，自抗擾控制器輸入與輸出之間的誤差；

2-1-5)：保留式(22)的極大值，即當(dāng)前最高味道濃度，并保留此時果蠅的位置；

2-1-6)：進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)執(zhí)行步驟2-1-2)-步驟2-1-5)，并判斷此時果蠅個體的味道濃度是否優(yōu)于當(dāng)前最高味道濃度值，若是，則更新當(dāng)前果蠅最高味道濃度和果蠅群體的初始位置；否則返回步驟2-1-2)，至當(dāng)前迭代次數(shù)等于最大迭代次數(shù)maxgen′或已達(dá)到目標(biāo)精度要求時再執(zhí)行步驟2-1-7)；

步驟2-1-7)：迭代尋優(yōu)結(jié)束后，保留最佳味道濃度值與此時果蠅個體的位置，即得到電機(jī)i最優(yōu)的自抗擾控制參數(shù)βi1、βi2、ei。

采用果蠅優(yōu)化算法求出第i臺電機(jī)的控制參數(shù)βi1、βi2及ei后，利用時間尺度法得到其它電機(jī)的控制參數(shù)，方法如下：

?。焊鶕?jù)第i臺電機(jī)相電流和轉(zhuǎn)速的狀態(tài)方程得到第i臺電機(jī)的時間尺度pi，如式(23)所示：

其中：iin為第i臺電機(jī)的額定電流；ni0為第i臺電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；ji為第i臺電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；bi為第i臺電機(jī)的摩擦系數(shù)；limin為第i臺電機(jī)定子凸極與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合位置時的電感，即相電感最小值；為第i臺電機(jī)相電感隨位置角的變化率；

ⅱ：再根據(jù)式(23)計算出第k臺電機(jī)(k＝1～n,且k≠i)的時間尺度pk，由電機(jī)i和電機(jī)k的時間尺度pi和pk以及電機(jī)i的控制參數(shù)βi1、βi2、ei，即可得到電機(jī)k相應(yīng)的控制參數(shù)βk1、βk2、ek，分別如式(24)～(26)所示：

ek＝ei(26)

步驟三：各電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊根據(jù)其實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw運(yùn)算處理得到相應(yīng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′(i＝1,2…n)，并將該補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′與上述轉(zhuǎn)矩偏差δti求和，得到該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量δti″(i＝1,2…n)。

第i臺電機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′的獲取方式如下：

1)以電機(jī)i的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωi與權(quán)重平均轉(zhuǎn)速ωw的偏差及其積分作為狀態(tài)變量，分別如式(27)、(28)所示：

xi1＝ωw-ωi(i＝1,2…n)(27)

2)設(shè)定積分滑模面函數(shù)，如式(29)所示：

si＝xi1+cxi2(i＝1,2…n)(29)

其中：c為正常數(shù)；

3)根據(jù)已建立的滑模面函數(shù)選取指數(shù)趨近律來設(shè)計轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償器，所選指數(shù)趨近律表達(dá)式為：

其中：ε、k均為正常數(shù)，sgn(si)為符號函數(shù)；

4)針對式(27)、(28)設(shè)定的狀態(tài)變量求導(dǎo)得：

其中：由式(29)結(jié)合開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動方程可化為式(34)的形式：

式中：tli表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

結(jié)合式(29)、(33)、(34)可得：

根據(jù)式(30)與式(35)，可得：

令補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩δti′為：由于式(36)中部分遠(yuǎn)小于因而可將省略，則最終輸出量δti′為：

步驟四：估算各電機(jī)的實(shí)際磁鏈ψi(i＝1,2…n)，并將其與系統(tǒng)給定磁鏈ψ^*進(jìn)行比較，得到各電機(jī)的磁鏈偏差δψi(i＝1,2…n)。

步驟五：電機(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量δti″和磁鏈偏差δψi以及磁鏈的區(qū)間查詢開關(guān)表得到對應(yīng)的電壓矢量，再根據(jù)電壓矢量確定功率變換器中對應(yīng)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，從而可使各電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速ω^*的準(zhǔn)確跟蹤，達(dá)到多開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制的目的。