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1、 细菌群觅食优化算法及PID参数优化在电梯用永磁同步电机上的应用陈健 摘要：近年来，随着高性能永磁材料技术、电力电子技术、微电子技术的飞速发展以及矢量控制理论、自动控制理论研究的不断深入，永磁同步电机控制系统得到了迅速发展。由于其调速性能优越，克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的一系列限制，结构简单、运行可靠；而且具有重量轻、体积小、效率高、转动惯量小、过载能力强、功率因数高等优点，开始慢慢成为电梯行业的主流电机之一。电梯用永磁同步电机面临着频繁启停、加减速负载变化等复杂工况，系统的控制性能直接影响电梯的稳定性和舒适性。在此类工况下，传统的PID速度控制器不能实时调整整定参数，以适应系统
2、快速性和稳定性的需求，导致整定的效果变差。本文分析了细菌群觅食优化算法及PID参数优化在电梯用永磁同步电机上的应用。关键词：细菌群觅食优化算法；PID；电梯永磁同步电机；应用；PID控制难以满足其较高的控制要求，为了提高电梯的控制效果，需要对传统的PID算法进行改进。神经网络是一种智能控制方式，其特点是不依赖于定量模型，有较强的学习能力，比较适用于非线性度较高的控制对象。1永磁同步电机特征现代电梯主要以高层建筑为服务对象，为了更好地满足高层建筑对电梯的需要，电梯控制技术同样也经历了由简单到复杂，由低级向高级的发展阶段。与普通异步电机的定子机构相比，永磁同步电机的定子结构与之差别并不是很大；而在
3、转子结构方面，永磁同步电机与普通异步电机的区别是永磁同步电机增加了一套永磁体系统。电机的结构与永磁材料的性能有关，材料的性能不同，电机结构也会存在差异。除了材料之外，应用环境也是影响设计的重要因素。对矫顽力及其他数据进行设计，使之形成的电磁结构不同。电梯系统中主要使用的是稀土永磁同步电机，这种电机中永磁体的表面结构与转子的表面结构较为相似，能够镶嵌在转子的铁芯上。与传统的电机控制相比，永磁同步电机的控制方式是通过对转矩进行线性控制，以此来达到总磁链平衡及控制的目的。永磁同步电机的曳引控制已经形成具有功能集成、结构紧凑优势，集电磁制动、曳引轮和曳引电机于一体的控制装置，体现出安装及使用方面的优势
4、。在没有机房电梯的研发中，这种优势一方面能够减少噪音，另一方面也能将永磁同步曳引机安装在电梯井中，节约了用地及建造成本。2细菌群觅食优化算法及PID参数优化在电梯用永磁同步电机上的应用1.永磁同步电机的数学模型。假设定子绕组中感应电动势的波形为正弦波，气隙磁场呈正弦分布，忽略铁心饱和效应，不计涡流和磁滞损耗，同时转子和永磁体均无阻尼作用：，；e，Rs，f，J，Te，B，TL，p，KT，分别为电机的电角速度、定子电阻、永磁磁链、机械角速度、转动惯量、电磁转矩、粘滞阻尼系数、负载转矩、极对数、转矩系数。改善系统速度控制的抗扰动能力，减小扰动对速度造成的振荡幅度。PID速度控制器能够有效地增强速度控
5、制的鲁棒性，如在刚启动情况下能够减小速度超调问题。本文结合负载转矩前馈补偿控制和单神经元PID控制，增强转速控制系统抗扰动能力的同时，增强系统转速控制的鲁棒性。包括单神经元PID速度环，负载转矩前馈补偿模块电流环控制器，坐标变换模块，负载转矩前馈补偿的核心是实现对负载转矩的实时观测，并将观测到的转矩进行前馈补偿到电流控制环，提高电流环对负载突变的响应速度，减小负载转矩对于转速的影响，降低转速在负载突变时的波动，从而改善抗扰动能力。采用一种降阶负载转矩观测器，实时观测负载转矩的变化，以实现前馈补偿策略。由于系统控制器的采样周期内，负载转矩值基本没有变化，因此一般认为负载转矩在控制周期基本不发生变
6、化。2.细菌群觅食优化算法。细菌群觅食算法能有效解决多节点问题中的最短路径优化难题，电梯系统和这些问题很相似，所以非常适合采用细菌群觅食来解决，当然这里结点与路径的涵义被延伸并增加了一些特殊的约束。细菌群觅食算法难点是对永磁同步电机各扇区三相电压高低电平时间的计算以及对某一时刻电压所在的扇区的准确判断。三相对称电机定子形成理想的磁链圆，通过特定的脉冲宽度调制波形使三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成连续的对称的正弦电流波形。永磁同步电机驱动器所用到的三相逆变器由三对绝缘双极型晶体管。确定定子电压矢量所处扇区。通过旋转式编码器检测同步电机转子的位置及转速，判断出此时定子电压所在的扇区。在
7、确定了电机是正转还是反转后，运用线性插入法插入高低电平，为了保证电机平稳旋转，现平均每一度计算一次。现在测得电压在第一扇区，电机正转，就知道从第一个扇区到第二个扇区，A相高电平时间缩短，B相高电平时间增大，C相不变，将时间作为横坐标，电压作为纵坐。确定了此时定子电压空间矢量所在扇区及所在脉冲宽度调制波所在时刻点，电机中的电流就近似为三相对称正弦电流，从而使得永磁同步电机平稳运行。采用这种算法，使永磁同步电机的驱动芯片选择范围更广泛，虽然精确度没有正弦空间矢量调制技术算法那么高，但满足电梯门机控制系统中对精确度的要求。3.传统PID速度控制器的控制参数通常预先设置，在运行过程中保持不变，这种控制
8、方式实现简单，但往往无法获得最优的控制效果，系统的鲁棒性不高。单神经元PID控制器的PID参数是根据工况自适应调节的，相比传统的PID控制器，会达到更好的控制效果。转换器的输入为给定值和输出，转换器的输出为状态量用于神经元学习控制，当负载发生突变时，仅有PID控制器而未进行反馈补偿的速度振荡幅度为38%，而进行了反馈补偿之后速度振荡幅度为20%。这说明，负载转矩前馈补偿可以提高转速的收敛速度，有效地提高转速环的抗扰性能。利用负载转矩观测器，在负载突加情况下，观测负载转矩前馈补偿对转矩的影响。在0.1s的突加负载后未补偿的转矩波形比补偿的转矩波形多出1个大约6Nm的抖动，补偿后的转矩波形更好的平
9、滑上升，同样证明了系统抗扰动能力的提高。启动时单神经元PID的速度曲线快速收敛基本无超调现象，且当出现负载变化时速度波动很小，没有出现普通PID速度曲线的较大波动，验证了单神经元PID速度控制器比传统PID控制器鲁棒性强。电机以800r/min的速度运行，不断突加、突卸20Nm负载时，采用单神经元PID控制器和常规PID控制器的转速仿真波形如图8所示。从图8中看出，采用单神经元PID速度控制器的速度振荡幅度在25r/min左右，而PID速度控制器速度振荡幅度在50r/min左右，采用单神经元PID方式鲁棒性更强，抗扰动能力有所提高。要对永磁同步曳引机的负载进行检查并进行一定控制，最好的方法就是
10、曳引机在制动器打开之前就已经开始进行负载输出，转矩也能相互抵消，减少轿厢上升或下降现象发生的概率。为改善应用在电梯行业的永磁同步电机在复杂工况下，鲁棒性差、抗扰动能力不强等问题，提出了一种基于负载转矩前馈补偿和单神经元PID控制的永磁同步电机矢量控制方案，仿真和实验表明，本文提出的控制策略可以有效地改善系统的抗扰动性能，增强系统转速控制的鲁棒性。根据本算法设计的实际使用，电梯运行平稳，效果良好。参考文献：1陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2015.2李广军，张晶，曾安平.基于BP神经网络的PID控制器研究J.计算机仿真，2015-9.3洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真M.北京：机械工业出版社，2015.4叶安丽.电梯控制技术（第2版）M.北京：机械工业出版社，2015. -全文完-
