基于遺傳算法的交流永磁同步電機控制系統的研究

徐丹+賈立

摘 要： 在現代電力電子技術的飛速發展的今天，交流永磁同步電機控制系統的性能已經大大超越直流電機控制系統。交流永磁同步電機控制系統以其較高的功率因素、較小的轉動慣量、零勵磁損耗等優點，在交流電機控制系統中占據著主導的地位。本文主要研究基于遺傳算法的交流永磁同步電機控制系統，通過分析遺傳算法的原理及特點，將遺傳算法應用于交流永磁同步電機控制系統中。傳統的交流永磁同步電機控制系統是通過PID調節器進行電流環、速度環的負反饋控制，其控制系統自身調整能力弱，系統無法較快較為便捷地調整至最佳狀態。基于遺傳算法的交流永磁同步電機控制系統具有良好的尋優能力，處于多變的使用環境時，其系統的適應能力強、自身的調整能力強。基于遺傳算法的交流永磁同步電機控制系統具有較強的自適應能力，而且較為容易地取得更優的控制效果。

關鍵詞： 交流永磁同步電機；遺傳算法；自適應能力

0 引言

遺傳算法是由美國密西根大學的霍蘭德教授提出的模擬自然界的遺傳機制和生物進化論而成的一種并行隨機搜索最優化的方法。它將“優勝劣汰，適者生存”的生物進化原理引入到優化參數形成的編碼串聯群體中，按所選擇的適配值函數并通過遺傳中的復制、交叉及變異對個體進行篩選，使適配值高的個體被保留下來，組成新的群體，新的群體既繼承了上一代的信息，又優于上一代。這樣周而復始，群體中個體適應度不斷提高，直到滿足一定的條件。本研究將遺傳算法運用到交流永磁同步電機控制系統，利用遺傳算法的自適應尋優能力，使交流永磁同步電機控制系統的響應速度及穩定性得到顯著提高。通過分析遺傳算法的原理及特點，將遺傳算法應用于交流永磁同步電機控制系統中。

1 基于遺傳算法的交流永磁同步電機控制系統結構設計

交流永磁同步電機帶有編碼器，通過檢測編碼器的信號，能夠完成閉環反饋控制，實現電機的快速響應和精確定位。本研究中的交流永磁同步電機采用光電編碼位置傳感器，交流永磁同步電機控制系統結構為了滿足高精度高穩定性的要求，采用三個負反饋閉環控制，即位置負反饋閉環、電流負反饋閉環、轉速負反饋閉環。電機通過光電編碼器得到角度信號，將角度值進行微分運算轉化為實際速度值，采樣的多個速度值樣本參與遺傳算法得到控制值。

2 控制系統中遺傳算法的設計

遺傳算法為群體優化算法，也就是從多個初始解開始進行優化，每個解稱為一個染色體，各染色體之間通過競爭、合作、單獨變異，不斷進化。優化時先要將轉速轉換到遺傳空間，就是把實際問題的解用染色體表示，稱為編碼；反過程為解碼，因為優化后要進行評價，所以要返回問題空間，故要進行解碼。SGA采用二進制編碼，染色體就是二進制位串，每一位可稱為一個基因；解碼時應注意將染色體解碼到問題可行域內。

遺傳算法模擬“適者生存，優勝劣汰”的進化機制，染色體適應生存環境的能力用適應度函數衡量。對于優化問題，適應度函數由目標函數變換而來。一般遺傳算法求解最大值問題，如果是最小值問題，則通過取倒數或者加負號處理。SGA要求適應度函數>0，對于<0的問題，要通過加一個足夠大的正數來解決。這樣，適應度函數值大的染色體生存能力強。遺傳算法有三個進化算子：選擇、交叉和變異。

選擇的作用是形成整體性能優良的父母群或基因池，作為產生下一代的基因基礎。基本機理是依據當代個體的適應度決定其進入基因池的概率（或者說成為子代父母群成員的機會）。我們將所有的當代個體編號進入一個大轉盤中，適應度高的占有的轉盤面積大，啟動轉盤后，開始隨機選擇父母群的成員，明額滿了以后停止。

父母群（或基因池）確定以后，進行染色體互換生重組成預備后代（不妨稱之為幼苗），其中染色體片段的互換長度是隨機選取的。染色體的互換完成后，我們按照一定的幾率對“幼苗”進行小尺度小規模的基因突變，最終形成全新的一代。再吃程序中我們以二進制的一個位bit為最小單位。

新的一代以父輩的基因信息為基礎，又有了雜交和基因突變的優勢，從感覺來說會一代比一代強。可感覺不一定靠得住，有時過于杰出的父輩可能因為染色體被打斷，或者基因突變，讓新生代無法超越。為了保證一輩比一輩強，我們讓最杰出的父輩保持長壽和繁衍的雙重權利，在繁衍出子代后有原封不動的成為子代的一員，參與新時代的競爭與繁衍。

遺傳算法最為恐慌的事情是收斂太慢或者是落入局部最優陷阱，為了避免這些狀況，我們可以敞開大門，放眼看看外面的世界，勇敢的去甄別和引入超強的異族基因，然而為了避免圈子的正常健康穩定發展，避免一時興起產生的災難，引入外部基因時要堅持有序有度的原則。為此本設計中采取如下方式，異族個體在全局和已知最優解局部區域兩個范圍內隨機產生，然而并不直接參與本族的繁衍過程，只是在本族繁衍結束后和群體中的老頭領做一下PK，如果能將其PK下去該異族直接以頭領的身份成為群體的一員參與群體的進化，PK不下去則立即消亡。更為殘酷的是，每一輪對所有的異族而言只有一個可加入的名額。

3 總結

本文提出了將遺傳算法應用于交流永磁同步電機控制系統中的設想，鑒于傳統永磁同步電機控制系統的不足，本文中的控制系統有著較強的自適應能力。在復雜多變的環境中本系統反應速度更快，可以使控制系統更穩定，因此本系統有著更好的應用前景。

參考文獻

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