電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制器優(yōu)化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 惡劣環(huán)境下的電力傳動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速傳感器會出現(xiàn)故障，導(dǎo)致在低速運(yùn)行情況下受到低開關(guān)頻率限制，此時采用傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，從單點(diǎn)出發(fā)搜索最佳電機(jī)參數(shù)控制點(diǎn)，存在較高的轉(zhuǎn)矩脈動。因此，提出基于改進(jìn)遺傳禁忌算法設(shè)計的轉(zhuǎn)矩控制器，該控制器通過基于DSP的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，基于改進(jìn)遺傳禁忌算法控制方案給出轉(zhuǎn)矩控制指令，實(shí)現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的精確控制。速度調(diào)控器采用改進(jìn)遺傳禁忌算法的PID控制器，完善電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制性能。將禁忌搜索方法當(dāng)成遺傳算法的變異算子，避免電力傳動轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中PID速度調(diào)控器出現(xiàn)超調(diào)問題，使得低速運(yùn)行情況下轉(zhuǎn)矩控制器保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩脈動，增強(qiáng)電力傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該方法能夠有效優(yōu)化電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩性能，獲取平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩波形。

關(guān)鍵詞： 電力傳動系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)矩控制； 控制器； 優(yōu)化控制

中圖分類號： TN961?34； TM723 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0139?04

Abstract： The rotating speed sensor of power transmission system may cause failure under severe environment， so the system may be limited by the low switching frequency at low running speed. For this problem， the traditional direct torque control system has high torque ripple due to the search of optimum motor parameters by means of single point. Therefore， the torque controller based on improved genetic tabu algorithm is proposed， which can control the motor torque， rotational speed and angle through the torque control system based on DSP. The torque control instruction is given based on the control scheme of the improved genetic tabu algorithm to realize the accurate torque control of the power transmission system. The PID controller based on the improved genetic tabu algorithm is adopted in the speed controller to improve the torque control performance of the power transmission system. The tabu searching method is used as the mutation operator of genetic algorithm to avoid the overshoot problem existing in PID speed controller of the power transmission torque control system， make the torque controller have stable torque ripple at low running speed， and improve the stability of the power transmission system. The experimental results show that the method can effectively optimize the torque performance of the power transmission system， and obtain the smooth torque waveform.

Keywords： power transmission system； torque control； controller； optimal control

0 引 言

隨著高速重載干線鐵路網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，大規(guī)模電力傳動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車驅(qū)動領(lǐng)域。在惡劣環(huán)境中，轉(zhuǎn)矩控制的電力傳動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速傳感器會出現(xiàn)故障，在低速運(yùn)行情況下會受到低開關(guān)頻率限制，導(dǎo)致機(jī)車動力存在驟停的危險[1?2]。因此，優(yōu)化電力傳動系統(tǒng)中的直接轉(zhuǎn)矩控制器，提高傳動系統(tǒng)的運(yùn)行效率具有重要意義。而低速運(yùn)行情況下受到低開關(guān)頻率限制，導(dǎo)致傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，存在較高的轉(zhuǎn)矩脈動問題[3?5]。

當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計方法存在較多的問題，如文獻(xiàn)[6]提出的融合空間矢量調(diào)制的轉(zhuǎn)矩控制方法，其通過降低低速下轉(zhuǎn)矩脈動的固定開關(guān)頻率，完成轉(zhuǎn)矩控制，但是該種方法對轉(zhuǎn)矩脈動的平穩(wěn)性要求較高，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[7]將原始采用分割成三份，獲取更多的電壓矢量，并通過多級滯環(huán)結(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制，但是卻要進(jìn)行大量的運(yùn)算，控制效率低。文獻(xiàn)[8]融合直接轉(zhuǎn)矩控制和DTC?SVM方法，在開始階段采用直接轉(zhuǎn)矩控制，增強(qiáng)動態(tài)響應(yīng)性能，而在穩(wěn)態(tài)時采用DTC?SVM方法降低轉(zhuǎn)矩脈動；但是該種方法存在耗能高的問題。

為了解決上述問題，提出改進(jìn)遺傳禁忌算法優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩控制器，該控制器采用DSP芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，基于改進(jìn)遺傳禁忌算法控制方案給出轉(zhuǎn)矩控制指令，實(shí)現(xiàn)了電力傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的精確控制。

1 電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制器優(yōu)化設(shè)計

1.1 基于DSP的轉(zhuǎn)矩控制電路模塊設(shè)計

轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包含較多的諧波和脈動因素，速度估算精度較低，為了提高動態(tài)響應(yīng)效率，應(yīng)增強(qiáng)轉(zhuǎn)速估算速度。采用基于DSP（Digital Signal Processor）芯片的轉(zhuǎn)矩控制電路模塊，可對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行快速精確控制。該電路模塊通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，基于改進(jìn)遺傳禁忌算法控制方案給出轉(zhuǎn)矩控制指令，實(shí)現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的有效控制。基于DSP的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括主回路硬件模塊和控制回路硬件模塊。

主回路硬件模塊由不控整流電路和IPM智能三相逆變橋功率模塊組成，不控整流電路可將輸入的三相交流電變換成直流，并將直流當(dāng)成交流調(diào)速的供電源。IPM智能三相逆變橋功率模塊可將直流電壓轉(zhuǎn)換成電力傳動系統(tǒng)運(yùn)行的可控電壓。如果存在故障，則該功率模塊可自主、快速切斷三相逆變橋，確保傳動系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

數(shù)字信號處理芯片TMS320F240是電力傳動系統(tǒng)的核心操作模塊，其內(nèi)核具有較高的操作性能和可靠性。設(shè)計的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)將其作為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的算法實(shí)現(xiàn)模塊。TMS320F240片內(nèi)的事件管理器能夠?yàn)殡娏鲃酉到y(tǒng)提供高速、高效的控制方法，該種高速的實(shí)時運(yùn)算性能，基于電流檢測和速度檢測模塊提供的轉(zhuǎn)矩電流和速度信息，通過改進(jìn)遺傳禁忌算法完成轉(zhuǎn)矩的精確控制。TMS320F240片作為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的關(guān)鍵操作模塊，可更好的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。

電流與速度傳感器信號處理電路，對電力傳動系統(tǒng)中的電機(jī)霍爾信號和光電編碼器碼盤信號進(jìn)行差分處理與隔離保護(hù)，確保電機(jī)的霍爾與碼盤傳感器信號可變換成DSP芯片能夠識別的信號。DSP芯片是高效率微處理器，其可控制電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)角，確保傳動系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的指令運(yùn)行，極大提高了系統(tǒng)的性能。

1.2 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的組成

基于上述分析的轉(zhuǎn)矩控制電路結(jié)構(gòu)，塑造如圖2所示的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

上面給出的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的構(gòu)成中，速度調(diào)控器能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，其輸出為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的給定值；電壓源逆變器基于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩值設(shè)置合理電壓，并將該電壓作用于感應(yīng)電動機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動總體傳動系統(tǒng)的運(yùn)行。速度調(diào)控器采用改進(jìn)遺傳禁忌算法的PID控制器實(shí)現(xiàn)，基于電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制要求，按照響應(yīng)曲線的波動，將上升時間當(dāng)成預(yù)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速指標(biāo)，通過加速度基于原有軟啟動裝置，將PID速度調(diào)控器中的控制器輸出和速度誤差列入目標(biāo)函數(shù)中，目標(biāo)函數(shù)對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完善電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制性能。

1.3 基于改進(jìn)遺傳禁忌算法的PID速度調(diào)控器設(shè)計

為了解決遺傳算法中交叉算法內(nèi)的染色體相似性和變異概率，引起算法過早陷入局部最佳解問題，將禁忌搜索方法當(dāng)成遺傳算法的變異算子，可避免電力傳動轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中PID速度調(diào)控器出現(xiàn)超調(diào)問題，使得低速運(yùn)行情況下轉(zhuǎn)矩控制器保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩脈動，確保電力傳動系統(tǒng)的順利運(yùn)行。詳細(xì)的分析過程為：

（1） 編碼

如果以9作為優(yōu)化變量的個數(shù)，通過串聯(lián)二進(jìn)制映射編碼法進(jìn)行編碼，利用10位沒有符號的二進(jìn)制碼來顯現(xiàn)各個轉(zhuǎn)矩PID速度控制參數(shù)，這些參數(shù)的單個長度l=9×10位，若參數(shù)值在[pmax.j]和[pmin.j]之間波動，則參數(shù)得到的值與參數(shù)串的展現(xiàn)值之間的聯(lián)系為：

[pj=pmin.j+（pmax.j-pmin.j）R2i-1-1=pmin.j+（pmax.j-pmin.j）R23-1] （1）

式中：i表示參數(shù)個數(shù)，設(shè)置PID速度調(diào)控器的參數(shù)個數(shù)為9；數(shù)值[R]的可取范圍為[0，20]。

（2） 適配度函數(shù)

將誤差絕對值時間積分性能指標(biāo)視作參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù)，則可得到稱心的動態(tài)特征參數(shù)。將PID速度調(diào)控器中的控制器輸出，列入目標(biāo)函數(shù)中，目標(biāo)函數(shù)對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以避免操作能量太高。將式（2）當(dāng)成參數(shù)采納的目標(biāo)函數(shù)：

[J=w1e（t）+w2u2（t）dt+w3·tu]（2） 式中：e（t）是轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)誤差；u（t）是轉(zhuǎn)矩PID速度調(diào)控器輸出，[tu]是上升時間，[w1]，[w2]，[w3]是權(quán)值。通過處治作用防止惡劣環(huán)境下電力傳動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)故障，而導(dǎo)致低速運(yùn)行情況下轉(zhuǎn)矩脈動較高的問題，避免轉(zhuǎn)矩速度發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，但當(dāng)超調(diào)不可避免的發(fā)生時，那么目標(biāo)函數(shù)里就需加入超調(diào)量，此刻目標(biāo)函數(shù)就是：

[if e（t）<0，J=w1e（t）+w2u2（t）+w4ey（t）dt+w3·tu] （3）

式中：[w3]是權(quán)值，且[w4?w1]；[ey（t）=y（t）-y（t-1）]；[y（t）]是PID速度調(diào)控器的輸出。在此取[w1=0.999，][w2=0.011，][w3=1.96，][w4=148]。

（3） 種群大小

由于種群的大小是遺傳算法的運(yùn)作前提，所以必須先處理種群的大小問題。當(dāng)它過小時，種群里的多樣化特點(diǎn)將受到影響，選擇最佳值的范圍也會縮小，致使過早結(jié)束收集工作；當(dāng)它過大時，需要進(jìn)行計算的工作就會更多，這樣反而使改進(jìn)遺傳禁忌算法的作用減弱。通常初始種群是相對很大的數(shù)目時，可以一并解決很多個解，并且整體最優(yōu)解可被簡單獲得，設(shè)置編碼長度的2倍就是種群大小，表示為[n=2×l=180]。

（4） 交叉算子

通過挑選不同的交叉概率[pc]對改進(jìn)遺傳禁忌算法運(yùn)作和功能可以產(chǎn)生不同的作用。根據(jù)具體需要，[pc]本身能隨時發(fā)生變化。依照下式計算[pc]：

[pc=pc1（pc1-pc2）（f′-favg）fmax-favg， f′≥favgpc1， f′

設(shè)置[pc1=0.9]，[pc2=0.6]。在式（4）中，[fmax]表示群體中的最大適應(yīng)度；[favg]表示群體中的平均適應(yīng)度；[f′]表示兩個交叉的個體中較大的適應(yīng)度；[f]表示變異個體的適應(yīng)度。

（5） 禁忌變異算子

通過禁忌查找技術(shù)作為遺傳算法的變異算子，彌補(bǔ)遺傳算法的不足，可對PID速度調(diào)控器進(jìn)行優(yōu)化處理，避免轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)超調(diào)。

完成上述各項(xiàng)設(shè)置后，采用如圖3所示的遺傳算法運(yùn)行流程，完成PID速度調(diào)控器最優(yōu)控制結(jié)果的檢索，使得低速運(yùn)行情況下轉(zhuǎn)矩控制器保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩脈動，增強(qiáng)電力傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 代碼設(shè)計

系統(tǒng)的初始化函數(shù)是在 gon2013_open 函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的開辟和設(shè)備的初始化構(gòu)成。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證方法的性能，基于Matlab/Simulink 搭建系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真分析，對選取的9 kW 8/6 極電力傳動系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，仿真電路電壓為150 V，參考電流為10 A。

圖4和圖5分別給出了在電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.4 s從0突變到3 N·m情況下，采用空間矢量調(diào)制方法和本文方法的仿真波形。

分析圖4和圖5可得，空間矢量調(diào)制方法，在負(fù)載突變時，轉(zhuǎn)速瞬間下降到92 r/min，并通過0.13 s，再次達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。而本文方法下的電力傳動系統(tǒng)在負(fù)載瞬間波動時，轉(zhuǎn)速下降到 94 r/min，經(jīng)過0.02 s 就再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)，主要是因?yàn)楸疚姆椒O大提高了控制精度和效率，電力傳動系統(tǒng)響應(yīng)速度顯著提高，增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗惡劣環(huán)境干擾的性能，降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

如圖6所示是在設(shè)立運(yùn)行速度為1 000 r/min的前提下，兩種方法合成的轉(zhuǎn)矩圖，相對于離散空間矢量調(diào)制方法，本文方法下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動明顯出現(xiàn)了下降趨勢，平均轉(zhuǎn)矩有所上升。

4 結(jié) 論

本文提出基于改進(jìn)遺傳禁忌算法設(shè)計的轉(zhuǎn)矩控制器，該控制器通過基于DSP的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，基于改進(jìn)遺傳禁忌算法控制方案給出轉(zhuǎn)矩控制指令，實(shí)現(xiàn)了電力傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的精確控制。速度調(diào)控器采用改進(jìn)遺傳禁忌算法的PID控制器，完善電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制性能。

將禁忌搜索方法當(dāng)成遺傳算法的變異算子，避免電力傳動轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中PID速度調(diào)控器出現(xiàn)超調(diào)問題，使得低速運(yùn)行情況下轉(zhuǎn)矩控制器保持平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩脈動，增強(qiáng)電力傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效優(yōu)化電力傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩性能，獲取平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩波形。

參考文獻(xiàn)

[1] 周明磊.電力機(jī)車牽引電機(jī)在全速度范圍的控制策略研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[2] 習(xí)利軍，董侃，趙雷廷，等.基于雙DSP?FPGA架構(gòu)的城軌列車電力牽引控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（1）：174?180.

[3] 趙雷廷，習(xí)利軍，董侃，等.基于狀態(tài)空間拆分重組的牽引異步電機(jī)閉環(huán)離散全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（10）：103?112.

[4] 趙雷廷，習(xí)利軍，張哲，等.低開關(guān)頻率下異步電機(jī)電流環(huán)的數(shù)字控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（21）：3456?3466.

[5] 張文，侯春軍.淺談地鐵車輛制動系統(tǒng)國產(chǎn)化[J].機(jī)械與自動化，2013（6）：124.

[6] 趙雷廷，刁利軍，董侃，等.地鐵牽引變流器?電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（6）：101?107.

[7] 張啟明.混合動力裝載機(jī)動力系統(tǒng)設(shè)計與控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

[8] 趙丁選，李天宇，康懷亮，等.混合動力工程車輛自動變速技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2014，44（2）：358?363.