電力傳動系統的轉矩控制器優化設計與實現

摘 要： 惡劣環境下的電力傳動系統中的轉速傳感器會出現故障，導致在低速運行情況下受到低開關頻率限制，此時采用傳統直接轉矩控制系統，從單點出發搜索最佳電機參數控制點，存在較高的轉矩脈動。因此，提出基于改進遺傳禁忌算法設計的轉矩控制器，該控制器通過基于DSP的轉矩控制系統控制電機的轉矩以及轉速和轉角，基于改進遺傳禁忌算法控制方案給出轉矩控制指令，實現電力傳動系統轉矩的精確控制。速度調控器采用改進遺傳禁忌算法的PID控制器，完善電力傳動系統的轉矩控制性能。將禁忌搜索方法當成遺傳算法的變異算子，避免電力傳動轉矩控制系統中PID速度調控器出現超調問題，使得低速運行情況下轉矩控制器保持平穩的轉矩脈動，增強電力傳動系統的穩定性。實驗結果說明，該方法能夠有效優化電力傳動系統的轉矩性能，獲取平穩的轉矩波形。

關鍵詞： 電力傳動系統； 轉矩控制； 控制器； 優化控制

中圖分類號： TN961?34； TM723 文獻標識碼： 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的大規模建設，大規模電力傳動系統廣泛應用于電力機車驅動領域。在惡劣環境中，轉矩控制的電力傳動系統，轉速傳感器會出現故障，在低速運行情況下會受到低開關頻率限制，導致機車動力存在驟停的危險[1?2]。因此，優化電力傳動系統中的直接轉矩控制器，提高傳動系統的運行效率具有重要意義。而低速運行情況下受到低開關頻率限制，導致傳統直接轉矩控制系統，存在較高的轉矩脈動問題[3?5]。

當前的轉矩控制器設計方法存在較多的問題，如文獻[6]提出的融合空間矢量調制的轉矩控制方法，其通過降低低速下轉矩脈動的固定開關頻率，完成轉矩控制，但是該種方法對轉矩脈動的平穩性要求較高，具有一定的局限性。文獻[7]將原始采用分割成三份，獲取更多的電壓矢量，并通過多級滯環結構，對轉矩進行精確控制，但是卻要進行大量的運算，控制效率低。文獻[8]融合直接轉矩控制和DTC?SVM方法，在開始階段采用直接轉矩控制，增強動態響應性能，而在穩態時采用DTC?SVM方法降低轉矩脈動；但是該種方法存在耗能高的問題。

為了解決上述問題，提出改進遺傳禁忌算法優化的轉矩控制器，該控制器采用DSP芯片控制電機的轉矩以及轉速和轉角，基于改進遺傳禁忌算法控制方案給出轉矩控制指令，實現了電力傳動系統轉矩的精確控制。

1 電力傳動系統的轉矩控制器優化設計

1.1 基于DSP的轉矩控制電路模塊設計

轉矩控制系統包含較多的諧波和脈動因素，速度估算精度較低，為了提高動態響應效率，應增強轉速估算速度。采用基于DSP（Digital Signal Processor）芯片的轉矩控制電路模塊，可對電機轉矩進行快速精確控制。該電路模塊通過控制電機的轉矩以及轉速和轉角，基于改進遺傳禁忌算法控制方案給出轉矩控制指令，實現電力傳動系統轉矩的有效控制。基于DSP的轉矩控制系統硬件結構圖如圖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，并將直流當成交流調速的供電源。IPM智能三相逆變橋功率模塊可將直流電壓轉換成電力傳動系統運行的可控電壓。如果存在故障，則該功率模塊可自主、快速切斷三相逆變橋，確保傳動系統的順利運行。

數字信號處理芯片TMS320F240是電力傳動系統的核心操作模塊，其內核具有較高的操作性能和可靠性。設計的轉矩控制系統將其作為實現轉矩控制的算法實現模塊。TMS320F240片內的事件管理器能夠為電力傳動系統提供高速、高效的控制方法，該種高速的實時運算性能，基于電流檢測和速度檢測模塊提供的轉矩電流和速度信息，通過改進遺傳禁忌算法完成轉矩的精確控制。TMS320F240片作為實現轉矩控制系統的關鍵操作模塊，可更好的實現轉矩控制系統的動靜態性能。

電流與速度傳感器信號處理電路，對電力傳動系統中的電機霍爾信號和光電編碼器碼盤信號進行差分處理與隔離保護，確保電機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的轉矩、轉速以及轉角，確保傳動系統根據設定的指令運行，極大提高了系統的性能。

1.2 轉矩控制系統的組成

基于上述分析的轉矩控制電路結構，塑造如圖2所示的轉矩控制系統。

上面給出的轉矩控制系統的構成中，速度調控器能夠實現轉速閉環，其輸出為電機電磁轉矩的給定值；電壓源逆變器基于電機電磁轉矩值設置合理電壓，并將該電壓作用于感應電動機，進而驅動總體傳動系統的運行。速度調控器采用改進遺傳禁忌算法的PID控制器實現，基于電力傳動系統的轉矩控制要求，按照響應曲線的波動，將上升時間當成預測電機的轉速指標，通過加速度基于原有軟啟動裝置，將PID速度調控器中的控制器輸出和速度誤差列入目標函數中，目標函數對參數進行優化，完善電力傳動系統的轉矩控制性能。

1.3 基于改進遺傳禁忌算法的PID速度調控器設計

為了解決遺傳算法中交叉算法內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，將禁忌搜索方法當成遺傳算法的變異算子，可避免電力傳動轉矩控制系統中PID速度調控器出現超調問題，使得低速運行情況下轉矩控制器保持平穩的轉矩脈動，確保電力傳動系統的順利運行。詳細的分析過程為：

（1） 編碼

如果以9作為優化變量的個數，通過串聯二進制映射編碼法進行編碼，利用10位沒有符號的二進制碼來顯現各個轉矩PID速度控制參數，這些參數的單個長度l=9×10位，若參數值在[pmax.j]和[pmin.j]之間波動，則參數得到的值與參數串的展現值之間的聯系為：

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

式中：i表示參數個數，設置PID速度調控器的參數個數為9；數值[R]的可取范圍為[0，20]。

（2） 適配度函數

將誤差絕對值時間積分性能指標視作參數選擇的最小目標函數，則可得到稱心的動態特征參數。將PID速度調控器中的控制器輸出，列入目標函數中，目標函數對參數進行優化，以避免操作能量太高。將式（2）當成參數采納的目標函數：

[J=w1e（t）+w2u2（t）dt+w3·tu]（2） 式中：e（t）是轉矩控制系統誤差；u（t）是轉矩PID速度調控器輸出，[tu]是上升時間，[w1]，[w2]，[w3]是權值。通過處治作用防止惡劣環境下電力傳動系統中的轉速傳感器出現故障，而導致低速運行情況下轉矩脈動較高的問題，避免轉矩速度發生超調現象，但當超調不可避免的發生時，那么目標函數里就需加入超調量，此刻目標函數就是：

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

式中：[w3]是權值，且[w4?w1]；[ey（t）=y（t）-y（t-1）]；[y（t）]是PID速度調控器的輸出。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作前提，所以必須先處理種群的大小問題。當它過小時，種群里的多樣化特點將受到影響，選擇最佳值的范圍也會縮小，致使過早結束收集工作；當它過大時，需要進行計算的工作就會更多，這樣反而使改進遺傳禁忌算法的作用減弱。通常初始種群是相對很大的數目時，可以一并解決很多個解，并且整體最優解可被簡單獲得，設置編碼長度的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]對改進遺傳禁忌算法運作和功能可以產生不同的作用。根據具體需要，[pc]本身能隨時發生變化。依照下式計算[pc]：

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

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

（5） 禁忌變異算子

通過禁忌查找技術作為遺傳算法的變異算子，彌補遺傳算法的不足，可對PID速度調控器進行優化處理，避免轉矩出現超調。

完成上述各項設置后，采用如圖3所示的遺傳算法運行流程，完成PID速度調控器最優控制結果的檢索，使得低速運行情況下轉矩控制器保持平穩的轉矩脈動，增強電力傳動系統的穩定性。

2 代碼設計

系統的初始化函數是在 gon2013_open 函數中實現，由數據結構的開辟和設備的初始化構成。

3 實驗分析

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

圖4和圖5分別給出了在電機轉速為100 r/min，負載轉矩在0.4 s從0突變到3 N·m情況下，采用空間矢量調制方法和本文方法的仿真波形。

分析圖4和圖5可得，空間矢量調制方法，在負載突變時，轉速瞬間下降到92 r/min，并通過0.13 s，再次達到了穩態。而本文方法下的電力傳動系統在負載瞬間波動時，轉速下降到 94 r/min，經過0.02 s 就再次達到穩態，主要是因為本文方法極大提高了控制精度和效率，電力傳動系統響應速度顯著提高，增強系統抵抗惡劣環境干擾的性能，降低系統穩態誤差。

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

4 結 論

本文提出基于改進遺傳禁忌算法設計的轉矩控制器，該控制器通過基于DSP的轉矩控制系統控制電機的轉矩以及轉速和轉角，基于改進遺傳禁忌算法控制方案給出轉矩控制指令，實現了電力傳動系統轉矩的精確控制。速度調控器采用改進遺傳禁忌算法的PID控制器，完善電力傳動系統的轉矩控制性能。

將禁忌搜索方法當成遺傳算法的變異算子，避免電力傳動轉矩控制系統中PID速度調控器出現超調問題，使得低速運行情況下轉矩控制器保持平穩的轉矩脈動，增強電力傳動系統的穩定性。實驗結果表明，該方法能夠有效優化電力傳動系統的轉矩性能，獲取平穩的轉矩波形。

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