本發明涉及電機，具體地，涉及永磁同步電機驅動方法及系統，更為具體地，涉及基于多目標多元宇宙算法的永磁同步電機驅動方法及系統。

背景技術：

1、永磁同步電機pmsm廣泛應用于現代工業、交通和家電領域，因其高效、可靠和精準的控制性能而受到青睞。在pmsm的控制中，pid控制器由于其簡單、直觀且計算量小，常常作為調節器進行系統的反饋控制。然而，pid控制器的性能高度依賴于其三個主要參數，包括：比例系數、積分系數、微分系數的設置，如何自動高效地整定這些參數，是一個長期存在的挑戰。

2、目前，pid參數整定方法通常依賴于經驗、啟發式規則或者傳統的優化算法(如遺傳算法、粒子群優化算法等)，然而這些方法可能會面臨全局最優解的缺失、計算復雜度高、收斂速度慢等問題。因此，基于多目標優化算法對pid參數進行優化整定，是提升永磁同步電機驅動系統性能的一種有效手段。

3、星上無刷電機應用越來越廣泛，隨著使用場景日益復雜和對精度要求的不斷提高，星載無刷電機需要更加穩定和高效的pid控制系統來確保其正常運行。pid控制系統是一種基礎的反饋控制方法，能夠實時調整控制器的輸出以使系統達到期望狀態。然而，在太空中，pid參數的調節面臨著重大挑戰。首先，不同環境具有各自獨特的物理特性，因此需要針對不同環境進行pid參數的優化設置。此外，太空中存在各種干擾因素，如溫度變化、輻射粒子等，這些因素可能會對pid控制系統的穩定性和響應速度造成不利影響。這些問題使得星載無刷電機pid參數的整定變得極具挑戰性，傳統的調整方法已難以滿足需求，因此對無刷電機的pid參數進行優化顯得尤為緊迫重要。

4、專利文獻cn116317746a(申請號：cn202211453791.4)公開了一種永磁同步電機控制方法、系統及電動叉車，該方法通過基速以下運行時,采用最大轉矩/電流比控制策略對速度進行控制；基速以上運行時,采用基于電壓反饋的弱磁控制策略進行控制。本技術中通過pid參數的優化調整，多目標多元宇宙算法可以使得永磁同步電機的速度控制更為準確和穩定，提高了控制精度和系統響應速度。相比之下，基于最大轉矩/電流比和弱磁控制的策略可能在一些情況下無法達到同樣的控制精度，且本技術自適應性更強能夠根據不同的工作條件和要求，自適應地調整pid參數，使得永磁同步電機在基速以下和基速以上運行時都能夠實現高效穩定的控制。相比之下，基于固定控制策略可能無法靈活應對各種工況變化。

5、專利文獻cn116073725a(申請號：cn202111271292.9)公開了一種永磁同步電機系統模型預測電流控制方法，通過基于間接矩陣變換器逆變級控制的方法，相比而言本技術的方法的控制精度和穩定性更高，具有更強的自適應性，可以直接對控制器參數進行調整，簡化了控制過程。而基于間接矩陣變換器逆變級控制的方法需要額外的步驟和計算來確定逆變器的開關狀態，增加了控制的復雜性和計算量。

6、專利文獻cn114785210b(申請號：cn202210627418.x)公開了一種永磁同步電機電流控制器參數整定方法，通過通過生成閉環控制指令和諧振抑制指令，優化電流環控制參數。本技術通過優化調整pid參數，可以使得控制系統電流環獲得更大的穩定裕度，提高系統的魯棒性和穩定性；可以更精準地設計電流控制器的參數，使得系統在實際運行中更加穩定、高效。

7、專利文獻cn107257219a(申請號：cn201710716540.3)公開了一種永磁同步電機單電流弱磁扭矩閉環控制方法，通過解析出參考直軸電流和交軸電流，經過兩個pid調節器合成電壓，實現控制，但該方法復雜度較高、對pid參數調節的要求高，在電壓飽和時性能可能受限。相比之下，提出的方法通過引入momc進行參數優化，能在提高轉速觀測精度的同時增強系統的魯棒性，具有更強的適應性，提高了系統的效率。

8、專利文獻cn110535388a(申請號：cn201910830003.0)公開了一種基于轉矩閉環的永磁同步電機弱磁控制方法，基于參考轉矩和實際的誤差通過pi控制獲得所需的空間電壓控制角度進行控制，但對轉矩閉環控制策略的參數調節要求高，在特定工況下性能可能下降相比之下，提出的方法通過引入momc進行pid參數優化，能在提高轉速觀測精度的同事增強系統的魯棒性，且通過建立永磁同步電機的數學模型確定優化的目標參數，具有更強的適應性，提高了系統的效率。

9、專利文獻cn117311707a(申請號：cn202311176602.8)公開了一種自適應調節永磁同步電機矢量控制系統前饋參數的方法，通過設置自適應調節時間閾值和關系曲線分段數量閾值，對永磁同步電機矢量控制系統的電流環前饋參數進行自適應調節，優化電流-電感關系曲線分段及參數偏差計算。但僅僅通過對電流環前饋參數進行自適應調節，精度有待提高，而基于多目標算法優化的pid參數在系統性能優化、諧振抑制效果、穩定裕度提升和參數整定精度等方面效果更好。

技術實現思路

1、針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種永磁同步電機驅動方法及系統。

2、根據本發明提供的一種永磁同步電機驅動方法，包括：

3、步驟s1：構建永磁同步電機模型；

4、步驟s2：基于永磁同步電機模型獲得電機在不同條件下的動態特征；

5、步驟s3：基于永磁同步電機模型獲得的電機動態特征，通過momc算法優化pid控制器，得到優化后的pid控制器；

6、步驟s4：轉化優化后的pid控制器輸出的控制信號，得到轉換后的控制信號，利用轉換后的控制信號驅動電機驅動器。

7、優選地，所述永磁同步電機模型包括：電機的電壓方程、機械方程以及轉矩方程；所述電機的電壓方程包括：

8、

9、其中，vd，vq是定子電壓在d軸和q軸的分量；id，iq是定子電流在d軸和q軸的分量；rs是定子電阻；wr是轉子角速度；λd、λq是定子在d軸和q軸的磁鏈分量；

10、

11、其中，ld，lq分別為定子電感在d軸和q軸上的分量；λp是由永磁體產生的磁鏈，作用于d軸；

12、所述機械方程包括：

13、

14、其中，j是轉子的轉動慣量；b是轉動摩擦阻尼系數；tm為電磁轉矩；tl是負載轉矩；wr是轉子角速度；

15、所述轉矩方程包括：

16、

17、其中，tm為電機產生的電磁轉矩；p為電機極對數；ld，lq分別為定子電感在d軸和q軸上的分量id，iq是定子電流在d軸和q軸的分量。

18、優選地，所述步驟s2包括：基于永磁同步電機模型獲得電機在不同條件下的動態特征，所述動態特征包括：轉速與輸入電壓之間的關系、負載變化對電機行為的影響。

19、優選地，所述步驟s3包括：初始化宇宙個體，每個個體代表一個pid控制器參數配置；基于初始化種群，通過宇宙演化不斷更新和迭代個體的位置，獲得優化后的pid控制器；

20、在所述通過momc算法優化pid控制器過程中，基于適應度的反饋，不斷調整pid控制器參數的配置；

21、所述適應度包括：

22、

23、其中，e(t)為反饋偏差，u(t)為控制量，e′(t)為偏差的變化率。

24、優選地，在所述通過momc算法優化pid控制器過程中，通過非支配排序方法，在多目標優化問題中篩選出前沿解，保證優質解的保留；同時采用精英策略，確保每一代中最優個體得到保留，從而加速收斂。

25、優選地，所述步驟s4包括：

26、步驟s4.1：優化后的pid控制器輸出的控制信號為：

27、

28、其中，e(t)是控制誤差，控制誤差為目標值與當前測量值之間的差值；e(t)＝r(t)-y(t)，其中，r(t)是目標值，y(t)是當前測量值；kp，ki，kd分別表示比例、積分和微分增益系數；

29、步驟s4.2：對優化后的pid控制器輸出的控制信號進行歸一化處理，得到歸一化后的控制信號；

30、

31、其中，u(t)是優化后的pid控制器輸出的控制信號；umax和umin分別是pid控制器輸出電壓的最大和最小值；unorm是歸一化后的電壓；

32、步驟s4.3：計算占空比；

33、dcycle＝unorm×100％

34、步驟s4.4：生成pwm波；

35、pwm波的頻率為fpwm，生成周期性的pwm信號，周期tpwm為：

36、

37、其中，高、低電平持續時間thigh、tlow分別為：

38、

39、根據本發明提供的一種永磁同步電機驅動系統，包括：

40、模塊m1：構建永磁同步電機模型；

41、模塊m2：基于永磁同步電機模型獲得電機在不同條件下的動態特征；

42、模塊m3：基于永磁同步電機模型獲得的電機動態特征，通過momc算法優化pid控制器，得到優化后的pid控制器；

43、模塊m4：轉化優化后的pid控制器輸出的控制信號，得到轉換后的控制信號，利用轉換后的控制信號驅動電機驅動器。

44、優選地，所述永磁同步電機模型包括：電機的電壓方程、機械方程以及轉矩方程；所述電機的電壓方程包括：

45、

46、其中，vd，vq是定子電壓在d軸和q軸的分量；id，iq是定子電流在d軸和q軸的分量；rs是定子電阻；wr是轉子角速度；λd、λq是定子在d軸和q軸的磁鏈分量；

47、

48、其中，ld，lq分別為定子電感在d軸和q軸上的分量；λp是由永磁體產生的磁鏈，作用于d軸；

49、所述機械方程包括：

50、

51、其中，j是轉子的轉動慣量；b是轉動摩擦阻尼系數；tm為電磁轉矩；tl是負載轉矩；wr是轉子角速度；

52、所述轉矩方程包括：

53、

54、其中，tm為電機產生的電磁轉矩；p為電機極對數；ld，lq分別為定子電感在d軸和q軸上的分量id，iq是定子電流在d軸和q軸的分量。

55、優選地，所述模塊m3包括：初始化宇宙個體，每個個體代表一個pid控制器參數配置；基于初始化種群，通過宇宙演化不斷更新和迭代個體的位置，獲得優化后的pid控制器；

56、在所述通過momc算法優化pid控制器過程中，基于適應度的反饋，不斷調整pid控制器參數的配置；

57、所述適應度包括：

58、

59、其中，e(t)為反饋偏差，u(t)為控制量，e′(t)為偏差的變化率；

60、在所述通過momc算法優化pid控制器過程中，通過非支配排序方法，在多目標優化問題中篩選出前沿解，保證優質解的保留；同時采用精英策略，確保每一代中最優個體得到保留，從而加速收斂。

61、優選地，所述模塊m4包括：

62、模塊m4.1：優化后的pid控制器輸出的控制信號為：

63、

64、其中，e(t)是控制誤差，控制誤差為目標值與當前測量值之間的差值；e(t)＝r(t)-y(t)，其中，r(t)是目標值，y(t)是當前測量值；kp，ki，kd分別表示比例、積分和微分增益系數；

65、模塊m4.2：對優化后的pid控制器輸出的控制信號進行歸一化處理，得到歸一化后的控制信號；

66、

67、其中，u(t)是優化后的pid控制器輸出的控制信號；umax和umin分別是pid控制器輸出電壓的最大和最小值；unorm是歸一化后的電壓；

68、模塊m4.3：計算占空比；

69、dcycle＝unorm×100％

70、模塊m4.4：生成pwm波；

71、pwm波的頻率為fpwm，生成周期性的pwm信號，周期tpwm為：

72、

73、其中，高、低電平持續時間thigh、tlow分別為：

74、

75、與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

76、1、本發明通過多種機制的突然隨機變化，成功避免了陷入局部最優解的困境，實現了獲得最佳pid參數組合，從而減少了振蕩和超調現象，提升了抗干擾能力和控制精度，使得電機的響應更加平穩，減少了不必要的能量浪費，并提高了系統的穩定性，這對于一些高精度的控制應用(如航天器、電動汽車等)尤為重要；

77、2、本發明經過pid控制器參數的優化調整，使得電機能夠更加快速地響應控制信號，電機的轉速和位置控制也更為準確，大幅提高了響應速度和精度，適用于需要高精度調速的場合；

78、3、本發明不僅能夠改善星載無刷電機的性能表現和系統穩定性，而且具備高效、易實施等諸多優點；

79、4、本發明通過引入黑洞、白洞和隨機變化等機制，優化過程避免了陷入局部最優解的困境；局部最優解通常導致控制系統在某些狀態下無法達到最佳性能，而多元宇宙算法通過隨機性和多樣性的探索，成功保證了pid參數的全局最優化；

80、5、本發明計算效率較高，且優化過程可以較為容易地在實際應用中實施，適用于各種永磁同步電機控制系統。

81、6、本發明用于提高永磁同步電機轉速觀測的精度和魯棒性，首先通過建立永磁同步電機數學模型，確定pid參數的優化目標，并引入momc算法進行參數優化；根據優化后的pid參數，將轉換后的控制信號應用到電機驅動器中，調整電機的控制信號，在轉速估算方面表現出更高的精度和魯棒性，適用于不同工作條件和環境，具有廣泛的應用前景。