高速無刷直流電機鎖相轉速控制器參數蟻群優化
王志強，劉 剛
（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191）
摘要：針對當前鎖相速度控制器的參數整定多采用試驗加試湊的方式由人工進行優化，提出了一種以快捕帶為目標函數的鎖相速度控制器新型蟻群參數優化策略。建立了目標函數，推導了蟻群算法鎖相速度控制器參數優化方法，并給出了新算法的具體實現步驟，最后將該優化方案用于磁懸浮控制力矩陀螺的高速無刷直流電機速度控制。仿真研究表明，該鎖相速度控制器參數優化策略具有很強的適應性、魯棒陛，進而通過實驗驗證了該方案的可行性和有效性。
關鍵詞：蟻群算法；鎖相速度控制；參數優化；高速無刷直流電機；磁懸浮控制力矩陀螺
中圖分類號：tm36 +1 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848（2010）06-0054-05
0引 言
在電機調逮領域，鎖相速度控制技術在高精度速度控制方面具有獨特的優勢，當電機的反饋信號和參考頻率信號同步時，轉速的穩態精度可達百分之0 1~0. 02，遠優于傳統pid控制。電機鎖相控制的研究重點是改善動態性能和抗干擾性能，其中采用雙模速度控制不僅避免了鑒相器的非線性工作區，并且能夠獲得良好的動態性能和較高的穩態精度。文獻[2]采用模型參考自適應理論動態調節鎖相環環路增益，加快了受到負載轉矩干擾時電機轉速的恢復過程，兼顧了穩態精度和抗負載擾動的能力，但文中沒有具體給出鑒頻鑒相增益和低通濾波器時間常數等環路參數的整定方法，而鎖相環的環路參數的選擇，對環路的性能影h向較大。在實際應用中，一般采用試驗加試湊的整定方法，這對運行狀況的適應性不能保證，因此，研究和尋求鎖相控制器參數的自動整定和優化方法，以適應復雜的工況和高指標的控制要求，成為鎖相調速技術應用的重要課題。
蟻群算法是由m．dorigo等提出的一種全新的模擬進化算法，在解決旅行商問題、二次分配問題
高速無刷直流電機鎖相轉速控制器參數蟻群優化王志強，等等應用中表現出相當好的性能，該算法采用正反饋搜索機制和啟發式策略，具有魯棒性強、適于并行處理，對一般函數優化問題性能優異，對不連續、不可微、局部極值點密集的函數，同樣具有很好的尋優能力。本文提出了一種基于蟻群算法的鎖相速度控制器自動整定參數優化方法，給出了具體的優化步驟。仿真研究表明，該鎖相速度控制器參數優化策略具有很強的適應性和魯棒性，并在磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無刷直流電機上的驗證了該方案的可行性和有效性。
1問題描述
鎖相電機速度控制( plsc)系統主要由鑒頻鑒相器( pfd)、環路濾波器(lpf)及壓控振蕩器(vc0)等三個基本部件組成，如圖1所示。其中，最為關鍵的部件是鑒相器，其輸出一般呈現出非線性的特性，只在鎖相環接近鎖定時才呈現線性比例特性。在電動機鎖相調速系統中，用轉矩控制器、電動機和光電碼盤取代vc0，電動機的輸出轉速經光電碼盤或霍爾轉子位置傳感器轉化為與電動機轉子轉速成比例的脈沖信號，pfd比較參考輸入脈沖信號與光電碼盤或霍爾轉子位置傳感器輸出的脈沖信號的相位。
電動機的動態特性使鎖相調速系統成為比電子鎖相環高一階的系統，其動態特性使鎖相調速系統在性能和要求上與電子鎖相環有著明顯的不同，與電子鎖相環相比，鎖相調速系統時間常數大、頻率低、調速范圍寬。因電動機存在大的機械慣量，使系統的帶寬變窄，系統的時問常數比電子鎖相環要大得多，系統很難靠頻率牽引作用入鎖。為此本文采用雙模速度控制，系統結構如圖2所示，包括速度控制器和轉矩控制器兩部分。
速度控制器有兩種模式，pid控制和鎖相控制。當速度誤差的****值大于預先設定的誤差帶時，只有速度pid控制作用，使電機迅速加速或減速，文中采用了文獻[ 9-11]的pid蟻群優化算法對速度pid控制器進行參數整定。當速度誤差的****值小于預先設定的誤差帶時，轉入鎖相控制模式，在穩態只有鎖相控制作用，使系統獲得高的穩態精度。plsc系統在鑒頻鑒相階段的數學模型為
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