本發(fā)明屬于永磁同步電機無位置傳感器控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙分布帝國競爭的永磁同步電機初始位置辨識方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機具有良好的動態(tài)性能、高啟動扭矩和能量密度，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)必須使用電機轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確信息，而使用位置傳感器會帶來一系列問題，如尺寸、重量和成本增加，極端環(huán)境下電機控制可靠性降低等問題。為實現(xiàn)良好的起動性能，需要精準(zhǔn)的獲取永磁同步電機初始位置，如果初始位置未知時，電機啟動時可能會引起抖動、反轉(zhuǎn)甚至無法啟動。因此，零低速狀態(tài)下對永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置辨識具有重要意義。

2、當(dāng)前，初始位置辨識的快速性仍然是一個亟待解決的難題。為避免已有初始位置辨識將位置誤差通過pi調(diào)節(jié)器得到估計位置帶來的初始位置辨識緩慢的問題，可根據(jù)電機電壓方程構(gòu)造代價函數(shù)，先使用共軛梯度法對角度進行初步搜索，然后通過基于雙分布變異帝國競爭方法對角度進行精細搜索，以在一個計算周期內(nèi)快速得到初始位置。若缺乏初始位置估計的快速方法，將限制永磁同步電機無位置控制在快速啟動情景下的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于為解決永磁同步電機快速初始位置辨識的難題，提供一種基于雙分布帝國競爭的永磁同步電機初始位置辨識方法。

2、所述雙分布，指在帝國競爭不同階段分別使用高斯和柯西分布。

3、本發(fā)明的方法使用電機電壓方程構(gòu)造代價函數(shù)，通過基于雙分布帝國競爭方法對角度進行快速搜索，有效避免了使用pi調(diào)節(jié)器計算初始位置時間長的問題，在電機快速啟動的使用場景下具有良好的應(yīng)用前景。

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

5、基于雙分布帝國競爭的永磁同步電機初始位置辨識方法，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)造一個以轉(zhuǎn)速等于零為前提的電機轉(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函數(shù)；

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

9、步驟四：在所述辨識區(qū)間內(nèi)，隨機生成10n個角度值作為初始國家，選擇其中n個代價函數(shù)最小的國家作為帝國，n的取值大于5；將其余國家按區(qū)間成比例劃分給各個帝國，以產(chǎn)生初始帝國集團；在每個帝國集團內(nèi)，再次選擇代價函數(shù)最小的國家作為帝國，其余國家作為殖民地，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變化；變化后，再次在帝國集團內(nèi)選擇代價函數(shù)最小的國家作為帝國，其余為殖民地，從帝國集團中移除代價函數(shù)最高的殖民地；反復(fù)迭代，當(dāng)?shù)蹏瘓F數(shù)量減小到初始的一半時，使殖民地服從柯西分布在自身初始角度附近隨機變化；當(dāng)僅剩一個國家時，取其估計角度值作為最終的初始角度辨識結(jié)果。

10、進一步的是，步驟一中，所述基于靜止?fàn)顟B(tài)下的電壓方程，構(gòu)造一個以轉(zhuǎn)速等于零為前提的電機轉(zhuǎn)子初始位置角度函數(shù)；具體為：

11、永磁同步電機在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)軸系下的電機電壓；rs代表定子電阻；iα,iβ代表靜止坐標(biāo)軸系下的電機電流；la,lb代表電感矩陣；ψf代表永磁體磁鏈；θe,ωe分別代表電機電角度和電角速度；ts代表計算周期；k代表時間周期數(shù)；δiα,δiβ代表相鄰時刻靜止坐標(biāo)軸系下的電機電流的變化量，其表達式為：

14、

15、式中：tpk為坐標(biāo)變換矩陣；

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

17、

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

19、

20、

21、式中：ld、lq代表電機的交直軸電感。

22、進一步的是，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函數(shù)；具體為：

23、加入正則化項的代價函數(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、進一步的是，步驟三中，所述辨識區(qū)間的確定過程是：

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

31、進一步的是，步驟三中，所述選取0作為尋優(yōu)的初始值，計算步驟二中得到的初始位置角度代價函數(shù)梯度值，代入共軛梯度法公式計算，確定辨識區(qū)間；具體為：

32、在每個計算周期內(nèi)以所構(gòu)造的代價函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，選取閾值為ε，從任意初始點出發(fā)，此時迭代次數(shù)k＝1，沿負梯度方向進行搜索：

33、

34、式中：g1代表第一次迭代時的梯度方向，代表代價函數(shù)的梯度值，p1代表第一次迭代時的尋優(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角度，λ1為系數(shù)，通過令計算得到；為第一次迭代的估計角度；

38、若則停止，否則由繼續(xù)計算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次迭代時的尋優(yōu)方向；

41、由繼續(xù)迭代，直到||gk||≤ε時停止搜索，取作為帝國競爭算法的初始化范圍；λk為第k次迭代時的系數(shù)。

42、進一步的是，步驟四具體為：

43、在步驟三得到的范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生10n個國家作為初始國家，選取其中代價函數(shù)最小的前n個國家作為帝國，其余國家作為殖民地，然后根據(jù)帝國代價函數(shù)值大小劃分殖民地，每個帝國的殖民地個數(shù)按照下面的式子計算：

44、

45、n.r.n＝round{tn×9n}

46、式中：rn為第n個帝國的代價函數(shù)值；為所有帝國中令代價函數(shù)最大者的代價函數(shù)值；r'n是第n個帝國標(biāo)準(zhǔn)化代價；tn是第n個帝國標(biāo)準(zhǔn)化勢力大??；n.r.n是對應(yīng)帝國初始殖民地的個數(shù)；round表示取整；

47、殖民地通過以下規(guī)則進行移動：

48、x～u(0,β×d)

49、θ～u(-γ,γ)

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

51、在殖民地移動過程中，若移動后某殖民地代價函數(shù)小于帝國，則交換兩者身份，同時其他殖民地向新帝國方向移動；

52、殖民地移動后，最大的帝國里代價函數(shù)最大的殖民地作為帝國競爭的對象，按照不同帝國及其殖民地代價函數(shù)之和加權(quán)作為帝國權(quán)重值，以帝國權(quán)重值為概率隨機競爭殖民地，最弱殖民地被占領(lǐng)后通過高斯概率分布函數(shù)執(zhí)行變異，若此時帝國數(shù)量少于5n，則通過柯西概率分布函數(shù)執(zhí)行變異；若帝國數(shù)量不為一個，則繼續(xù)反復(fù)執(zhí)行殖民地移動和帝國競爭過程；

53、在競爭過程中，若某帝國失去所有殖民地，則帝國滅亡，最后，當(dāng)僅剩一個帝國時，算法結(jié)束，取最后一個帝國的角度值作為最終的初始位置辨識值。

54、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：本發(fā)明采用基于雙分布帝國競爭方法對根據(jù)α-β軸系下的電壓方程構(gòu)造的代價函數(shù)進行尋優(yōu)，與已有方法相比實現(xiàn)了永磁同步電機初始位置快速辨識，為無位置控制算法在快速啟動情景下的應(yīng)用提供了廣泛的可能性。