魏宗恩, 鄧永停, 喬延婷, 費 強, 李洪文
(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039; 3.陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校,吉林 長春 130000;4.季華實驗室, 廣東 佛山 528200)
永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)因其可靠性高、體積小、控制精度高等優(yōu)點在光電跟蹤設(shè)備[1-2]、高精度數(shù)控機床、航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,同時,永磁同步電機也被廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。因此,對高性能的永磁同步電機控制算法[3-4]的研究具有重要意義?;谟邢蘅刂萍哪P皖A(yù)測控制[5](Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC)算法利用代價函數(shù),通過預(yù)測不同電壓對應(yīng)的電流來選擇逆變器的開關(guān)狀態(tài)。該策略的優(yōu)點是瞬態(tài)響應(yīng)快、實現(xiàn)簡單、無需調(diào)制。然而,直接使用系統(tǒng)模型來選擇最優(yōu)控制行為,使得系統(tǒng)在建模錯誤或參數(shù)變化的情況下,出現(xiàn)性能變化[6-8]。因此,預(yù)測模型誤差的影響[9-10]是FCS-MPC的重要問題。針對上述問題,傳統(tǒng)的方法是建立更為精確的物理模型,或者設(shè)計復(fù)雜高階求解器。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,造成過高的計算負荷。也有許多其他方案被國內(nèi)外學(xué)者提出,其中,無模型預(yù)測控制方案[11-12]和基于參數(shù)辨識的預(yù)測模型優(yōu)化控制方案成果顯著。
基于參數(shù)辨識的預(yù)測模型優(yōu)化控制方案在保證控制性能的前提下進一步提高系統(tǒng)魯棒性。目前,永磁同步電機參數(shù)辨識方法分為離線估計方法[13-14]和在線估計方法[15-17]。此外,模擬解析方法,特別是有限元分析[18],也被歸類為離線參數(shù)估計技術(shù),此技術(shù)常被用來作為其他辨識方法實驗的實際參考。在線估計方法中,基于機器學(xué)習(xí)的方法備受關(guān)注,其通過數(shù)據(jù)來進行預(yù)測,隨著有效數(shù)據(jù)的積累,機器學(xué)習(xí)的預(yù)測能力可以持續(xù)的進化,預(yù)測精度不斷提高,目前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network, NN)[19]、遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)[20]和粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)[21-22]等算法已應(yīng)用于電機控制的自調(diào)試[23-24]和狀態(tài)監(jiān)測。
一般機器學(xué)習(xí)的算法在系統(tǒng)參數(shù)辨識的應(yīng)用過程中需要進行超參數(shù)的調(diào)試,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的學(xué)習(xí)率、隱藏層的數(shù)量,支持向量機中的正則化常量等。目前,應(yīng)用于參數(shù)辨識機器學(xué)習(xí)的算法中,大都需要基于經(jīng)驗與不斷測試對超參數(shù)進行優(yōu)化,以提高學(xué)習(xí)的性能和效果,此過程增加了辨識算法的實施難度。另外,機器學(xué)習(xí)回歸算法預(yù)測精度的評估需要衡量預(yù)測值與實際參數(shù)值之間的誤差,此“實際的參數(shù)值”是基于其他辨識方法得到的,在參數(shù)辨識過程中,缺乏實時性的性能指標(biāo)對預(yù)測結(jié)果進行評估。
高斯過程作為一種“非參數(shù)”機器學(xué)習(xí)技術(shù),其超參數(shù)使用極大自然法或蒙特卡洛方法自適應(yīng)獲取,這簡化了超參數(shù)調(diào)試的過程,并增加超參數(shù)選取的可解釋性。此外,高斯過程是一個具有概率意義的學(xué)習(xí)機,可對預(yù)測輸出做出概率解釋,其賦予預(yù)測結(jié)果的置信度指標(biāo)可用于預(yù)測效果的評估。基于上述兩點,本文提出基于高斯過程的永磁同步電機參數(shù)辨識方法并與有限集電流預(yù)測控制相結(jié)合,對PMSM進行精確控制。
在理想狀態(tài)下,PMSM在d-q軸坐標(biāo)下的電壓方程為:
PMSM磁鏈方程為:
其中:ψd為d軸總磁鏈,ψq為q軸總磁鏈;vd和id分別為d軸電壓和電流,vq和iq分別為q軸電壓和電流,Rs為定子電阻,Ld和Lq分別為d軸和q軸電感,ψm為定子磁鏈,ωr為電機的角速度。
通過式(1)和式(2)可得PMSM連續(xù)空間狀態(tài)方程:
上述連續(xù)狀態(tài)空間方程采用歐拉法進行離散化化處理:
其中:Ts為采樣周期,i(k)為k時刻(k=1,2,3,…)電流值,i(k+1)為下一采樣時刻電流值。因此,PMSM電流預(yù)測模型可由式(3)和式(4)得出:
其中:id(k),iq(k)分別為k時刻的d軸和q軸電流,id(k+1),iq(k+1)分別為k+1時刻的d軸和q軸電流。
將PMSM電流預(yù)測模型表達式簡化為:
其中:Di=(1-RsTs/Ls),Dv=Ts/Ls,表貼式永磁同步電機d軸和q軸電感相等,用Ls表示??臻g矢量角度分析,式中預(yù)測電流矢量i(k+1)由實際電流矢量i(k)與實際電壓矢量v(k)加權(quán)合成。
以d-q軸電感參數(shù)為例分析模型失配對系統(tǒng)控制性能的影響。當(dāng)系統(tǒng)模型未失配時,預(yù)測電流可表示為:
其中:ir(k+1)為無失配預(yù)測電流,Lrs為電感真實值。當(dāng)系統(tǒng)模型失配時,預(yù)測電流可表示為:
其中:ip(k+1)為失配預(yù)測電流,Lp s為電感標(biāo)定值。由式(7)和式(8)可得:
對式(9)進行z變換:
由此得到此離散系統(tǒng)極點為:z=-Lrs/Lps+1,令,m=1時,系統(tǒng)零極點如圖1(a)所示,系統(tǒng)極點位于原點,沖激響應(yīng)如圖1(b)所示,電流實現(xiàn)無差拍跟蹤。系統(tǒng)模型參數(shù)正向失配,并考慮實際情況,在0.5<m<1的情況下,系統(tǒng)z域零極點分布圖如圖1(c)所示,系統(tǒng)極點位于正實軸且在單位圓內(nèi),沖激響應(yīng)如圖1(d)所示,響應(yīng)呈指數(shù)衰減,m數(shù)值與電流響應(yīng)速度成正相關(guān)。
圖1 系統(tǒng)性能分析圖Fig.1 System Performance Analysis
系統(tǒng)模型參數(shù)負向失配即在1<m<1.5的情況下,系統(tǒng)z域零極點分布圖如圖1(e)所示,系統(tǒng)極點位于負實軸,沖激響應(yīng)如圖1(f)所示,電流階躍響應(yīng)呈指數(shù)衰減,m數(shù)值與電流響應(yīng)速度成負相關(guān)。
由上述分析可知,系統(tǒng)模型不同失配程度會對系統(tǒng)性能造成不同影響,對于模型預(yù)測電流控制,此影響體現(xiàn)在電流控制效果上,圖2展示了在傳統(tǒng)FCS-MPC策略下,電感Ls不同失配程度下q軸電流表現(xiàn)。如圖所示,在電感參數(shù)正向失配的情況下,q軸電流參考值相較于實際q軸電流會產(chǎn)生上偏移現(xiàn)象,而且偏移的程度與電感參數(shù)失配程度成正相關(guān)。在電感參數(shù)負向失配的情況下,q軸電流參考值相較于實際q軸電流會產(chǎn)生下偏移現(xiàn)象,而且偏移的程度與電感參數(shù)失配程度成正相關(guān)。通過圖2(a)與圖2(e)、圖2(b)與圖2(f)、圖2(c)與圖2(g)三組對比分析,在失配幅度相同的條件下,電感參數(shù)負向失配時會造成更嚴(yán)重的偏移現(xiàn)象。這表明電感變化對FCSMPC性能的影響是不對稱的,在預(yù)測模型高估實際電感值的情況下更具危害性。
圖2 電感不同失配程度下的q軸電流響應(yīng)Fig.2 Performance of q-axis current with different degrees of inductance mismatch
經(jīng)上述分析可知,電感參數(shù)的失配程度與電流實際表現(xiàn)存在某種關(guān)系。將電流表現(xiàn)數(shù)據(jù)作為輸入,電感參數(shù)的失配程度數(shù)據(jù)作為輸出,通過高斯過程回歸模型的訓(xùn)練,可建立起輸入變量到輸出變量的映射關(guān)系。通過此關(guān)系,在電流狀態(tài)已知的情況下可推得模型失配程度,進而求得實際參數(shù)值,實現(xiàn)系統(tǒng)模型的在線優(yōu)化。
高斯過程作為機器學(xué)習(xí)的方法,需要量化數(shù)據(jù)作為支撐。上文描述q軸電流參考值相較于實際q軸電流偏移程度,可量化為電流偏移度P。電流偏移度P描述q軸電流iq對q軸參考電流iqref上偏移程度P_u和下偏移程度P_d的比例關(guān)系:
其中:n為單檢測周期內(nèi)數(shù)據(jù)量,λ為偏移度系數(shù),用作數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,初始值設(shè)為1。
電感值不同失配程度下的q軸電流偏移度如圖3所示,電流表現(xiàn)通過量化數(shù)據(jù)分析,電感參數(shù)的正、負向失配對電流的影響是不對稱的,不同失配程度下電流偏移度P的數(shù)據(jù)作為高斯過程回歸模型的訓(xùn)練輸入之一。
圖3 電感不同失配程度下的q軸電流偏移度PFig.3 Current offset of q-axis under different mismatch
q軸電流表現(xiàn)另一重要量化數(shù)據(jù)為電流波動度B,其描述q軸電流iq以q軸參考電流iqref為基準(zhǔn)的波動程度:
然而這一指標(biāo)隨電感參數(shù)失配程度的變化呈現(xiàn)復(fù)雜的變化趨勢,以此指標(biāo)作為高斯過程回歸模型的另一訓(xùn)練輸入,其變化規(guī)律通過高斯過程算法學(xué)習(xí)。圖4為實時獲取部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的三維散點圖,隨著電流偏移度和電流波動度的變化,電感標(biāo)稱值呈螺旋上升的變化趨勢。
圖4 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的三維散點圖Fig.4 Scatter plot of training dataset
區(qū)別于傳統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法,高斯過程參數(shù)優(yōu)化作為一種機器學(xué)習(xí)的方法依賴于有效數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。
假設(shè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集有n個樣本,則此數(shù)據(jù)集可表示為{y,α,β,γ},其中,電流波動度B和電流偏移度P分別用α,β來表示,γ是參數(shù)標(biāo)稱值,以上三項作為訓(xùn)練輸入數(shù)據(jù),y是參數(shù)實際值,作為訓(xùn)練輸出數(shù)據(jù)。
測試數(shù)據(jù)集用{y*,α*,β*,γ*}表示,為表述方便,令多維訓(xùn)練輸入數(shù)據(jù)集{α,β,γ}=x,令多維測試輸入數(shù)據(jù)集{α*,β*,γ*}=x*,測試輸出數(shù)據(jù)表示為y*。
與高斯分布描述數(shù)據(jù)的分布規(guī)律類似,高斯過程(GP)描述的是函數(shù)的分布。均值函數(shù)m(x)和協(xié)方差函數(shù)k(x,x′)決定了高斯過程全部的統(tǒng)計特征,因此,定義高斯過程為:
對于實際問題,還需考慮噪聲ε對觀測值的影響,因此,模型描述為:
其中:進一步假設(shè)噪聲ε符合均值為0,方差為σ2的高斯分布:ε~N(0,σ2n),且其獨立于f(x)。此時,實際函數(shù)值y服從高斯過程:
其中:
訓(xùn)練樣本與一個測試點的聯(lián)合分布為:
其中:K表示協(xié)方差矩陣K(x,x),描述訓(xùn)練數(shù)據(jù)x內(nèi)部相關(guān)性;KT*表示協(xié)方差矩陣K(x,x*),描述訓(xùn)練數(shù)據(jù)x與測試點x*協(xié)差關(guān)系;K*表示協(xié)方差矩陣K(x*,x);K**表示協(xié)方差矩陣K(x*,x*),描述測試點x*內(nèi)部相關(guān)性。上述協(xié)方差矩陣K中元素kij是由協(xié)方差函數(shù)確定的,即kij=k(xi,xj)。
根據(jù)貝葉斯公式及式(16)得:
其 中 ,[μ2+K*K-1(y-μ1)] 和 [K**-K*K-1KT*]分別為預(yù)測均值y*和預(yù)測方差var(y*)。預(yù)測均值即為目標(biāo)參數(shù)預(yù)測值,預(yù)測方差即為得到此預(yù)測值的概率評估。
在本文訓(xùn)練數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征下,高斯過程回歸模型均值函數(shù)選擇為零均值函數(shù),核函數(shù)選擇為Matérn協(xié)方差函數(shù):
其中:d=(x-x′)T(x-x′),{σf,ρ}為超參數(shù)θ。
本文用最大似然估計法確定高斯過程核函數(shù)中的超參數(shù)θ,似然函數(shù)為:
取f為高斯過程模型f~GP(0,Σ),則負對數(shù)邊際似然為:
超參數(shù)θ的最優(yōu)解通過L偏導(dǎo)獲得:
在上述設(shè)計的高斯過程算法基礎(chǔ)下用訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行在線訓(xùn)練,節(jié)省了一般機器學(xué)習(xí)算法的超參數(shù)調(diào)試過程,隨預(yù)測值同時輸出的預(yù)測方差經(jīng)預(yù)處理后作為預(yù)測效果的評估,可實時監(jiān)測預(yù)測狀態(tài)以及異常數(shù)據(jù)。
高斯過程回歸預(yù)測模型精度主要受其核函數(shù)影響,為了驗證本文中核函數(shù)相較于其他常用核函數(shù)在此數(shù)據(jù)類型和規(guī)模下具有更高的預(yù)測精度,隨機選擇10組測試數(shù)據(jù)分別在以平方指數(shù)協(xié)方差函數(shù)、有理二次協(xié)方差函數(shù)以及本文應(yīng)用的Matérn協(xié)方差函數(shù)為核函數(shù)的高斯過程模型下進行測試。
平方指數(shù)協(xié)方差函數(shù)表達式為:
有理二次協(xié)方差函數(shù)表達式為:
系統(tǒng)模型參數(shù)真實值與預(yù)測值對比圖如圖5(a)~5(c)所示,實驗結(jié)果顯示,以平方指數(shù)協(xié)方差函數(shù)、有理二次協(xié)方差函數(shù)為核心的高斯過程回歸算法均有較高的預(yù)測精度,但是在系統(tǒng)參數(shù)失配程度較高的情況下,會產(chǎn)生較大的預(yù)測誤差,本文采用的Matérn核函數(shù),在各種失配狀態(tài)下均表現(xiàn)高的預(yù)測精度。
圖5 系統(tǒng)模型參數(shù)真實值與預(yù)測值對比圖Fig.5 Comparison of actual and predicted values of system model parameters
基于高斯過程的永磁同步電機模型預(yù)測控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。系統(tǒng)通過PI控制器進行速度控制,并產(chǎn)生電流參考值。預(yù)測電流控制器將對該電流進行跟蹤,選擇能使代價函數(shù)最小化的電壓矢量,將其應(yīng)用于整個采樣間隔。在系統(tǒng)運行的過程中進行電流檢測,電流檢測數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理模塊得到電流波動度B和電流偏移度P,此兩項作為高斯過程回歸參數(shù)優(yōu)化模塊的輸入進行系統(tǒng)參數(shù)的預(yù)測,預(yù)測結(jié)果將更新預(yù)測電流控制器中已失配的參數(shù),使系統(tǒng)恢復(fù)未失配狀態(tài)。
圖6 基于高斯過程的永磁同步電機模型預(yù)測控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of MPC system for PMSM based on GP
系統(tǒng)中高斯過程回歸模型是不斷更新的,隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)的累積而進化。在不同速度參考值或不同負載條件下,穩(wěn)定后的q軸電流表現(xiàn)量化值會有所不同,因此在不同實驗條件下的實驗數(shù)據(jù)將會訓(xùn)練新的高斯過程回歸模型。
高斯過程的訓(xùn)練數(shù)據(jù)直接由目標(biāo)算法FCSMPC獲取,因此參數(shù)辨識過程對FCS-MPC不會造成類似于其他入侵式辨識算法帶來的不利影響,同時,訓(xùn)練得到的回歸模型將用來優(yōu)化FCSMPC算法,實現(xiàn)了控制與優(yōu)化的閉環(huán)。
實驗驗證FCS-GPMPC控制策略的有效性,搭建了如圖7所示的實驗平臺,DSP-TMS320F2 8335和FPGA-EP3C40F324組成伺服控制器。PMSM參數(shù)如表1所示。
圖7 實驗平臺實物圖Fig.7 Photograph of experimental platform
表1 永磁同步電機參數(shù)Tab.1 Parameters of PMSM
首先進行高斯過程回歸模型的獲取,在給定速度50 r/min、零負載條件下,電感參數(shù)標(biāo)稱值在以實際參數(shù)值為基準(zhǔn)-25%~25%的范圍波動,利用電流波動度等實時數(shù)據(jù)進行高斯過程回歸模型的訓(xùn)練,得到圖8(a)所示擬合曲面,通過電流波動度和電流偏移度即獲得電感參數(shù)的失配信息。
為驗證回歸模型在不同速度條件下的自適應(yīng)性能,在給定速度100 r/min、零負載條件下進行回歸模型自適應(yīng)獲取,得到圖8(b)所示的擬合曲面。為驗證高斯過程回歸模型在不同負載條件下的自適應(yīng)性能,在給定速度100 r/min,2 N·m負載條件下進行回歸模型自適應(yīng)獲取,得到圖8(c)所示的擬合曲面。實驗證明,電機運行條件不同,電流表現(xiàn)和參數(shù)失配之間的回歸模型會有不同,本文高斯過程方法會在電機不同運行狀態(tài)下自適應(yīng)更新回歸模型。
圖8 不同運行條件下擬合曲面Fig.8 Fitted surfaces under different operating states
基于本文方法進行參數(shù)辨識的實驗,如圖9所示(彩圖見期刊電子版),圓點表示該時刻實際參數(shù)值,紅色曲線表示預(yù)測參數(shù)值,圖中顯示,預(yù)測參數(shù)曲線準(zhǔn)確跟蹤實際參數(shù)值。測試數(shù)據(jù)集顯示,在本文數(shù)據(jù)類型和規(guī)模下,預(yù)測誤差均控制在2%以內(nèi),均方根誤差RMSE為0.002 1,已到達千分位級,R2達到0.99,接近于1。
圖9 參數(shù)辨識結(jié)果Fig.9 Result of parameter identification
高斯過程回歸模型在輸出預(yù)測均值y*的同時會輸出預(yù)測方差var(y*),因此置信度為95%的置信區(qū)間為:。圖9中灰色陰影部分即為預(yù)測值的置信區(qū)間,可用于預(yù)測效果的評估以及異常數(shù)據(jù)的檢測,預(yù)測誤差與置信區(qū)間的波動成正相關(guān)。為驗證置信區(qū)間對異常預(yù)測值的檢測能力,在系統(tǒng)運行的過程中加入異常值,如圖10所示陰影部分即置信區(qū)間迅速擴大,這代表此時刻預(yù)測方差出現(xiàn)較大波動,即檢測到本組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常值或者出現(xiàn)較大預(yù)測誤差。因此,置信區(qū)間的大小可用于預(yù)測效果的評估。
圖10 預(yù)測異常檢測Fig.10 Predictive anomaly detection
為進一步驗證本文控制策略的穩(wěn)態(tài)性能,在2 N·m負載、100 r/min速度參考值條件下,對比本文控制策略與傳統(tǒng)FCS-MPC在參數(shù)失配情況下相電流和q軸電流狀態(tài)。圖11(a)、圖11(b)為傳統(tǒng)FCS-MPC策略下a相電流波形及其快速傅里葉分析(Fast Fourier Transform, FFT),圖11(c)、圖11(d)為本文控制策略下參數(shù)優(yōu)化后a相電流波形及其快速傅里葉分析。相較于傳統(tǒng)FCS-MPC,本文控制策略下的相電流總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)由4.38%降為3.74%。
圖11 相電流響應(yīng)對比Fig.11 Comparison of phase current response
考慮電感參數(shù)失配程度的極限情況,參數(shù)標(biāo)稱值在以實際參數(shù)值為基準(zhǔn)-50%~50%的范圍隨機波動。傳統(tǒng)FCS-MPC算法q軸電流響應(yīng)和基于所提方法參數(shù)優(yōu)化后的q軸電流響應(yīng)分別如圖12(a)、圖12(b)所示。相較于傳統(tǒng)FCSMPC,所提方法q軸電流波動度降低30.5%,電流平均偏移度降低19.6%。
圖12 q軸電流響應(yīng)對比Fig.12 Comparison of q-axis current response
實驗驗證FCS-GPMPC控制算法對電流階躍變化的動態(tài)跟蹤性能,如圖13~14所示,q軸參考電流在5 s時由0 A上升到1 A,傳統(tǒng)的FCS-MPC算法的響應(yīng)時間與FCS-GPMPC算法一致,但由于電感參數(shù)的不匹配,導(dǎo)致對未來電流的預(yù)測不準(zhǔn)確,降低了電流跟蹤性能。FCS-GPMPC算法及時調(diào)整電感參數(shù)標(biāo)稱值,因此其對參考電流的階躍變化有更好的動態(tài)響應(yīng)。
圖13 q軸電流階躍響應(yīng)(FCS-MPC)Fig.13 Step response of q-axis current
本文設(shè)計了基于高斯過程參數(shù)優(yōu)化的模型預(yù)測控制器,高斯過程參數(shù)辯識方法簡化了其他機器學(xué)習(xí)算法超參數(shù)的調(diào)試過程,其波動參數(shù)的精確估計提高了模型預(yù)測控制器的控制性能。高斯過程回歸算法還實時提供了預(yù)測結(jié)果的置信區(qū)間,通過此置信區(qū)間,可在線進行系統(tǒng)算法的監(jiān)測及優(yōu)化?;诟咚惯^程參數(shù)優(yōu)化的模型預(yù)測控制可實時優(yōu)化預(yù)測模型,對比于傳統(tǒng)的FCS-MPC,所提方法對電流的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能均有提升。實驗結(jié)果表明:基于高斯過程回歸的參數(shù)辯識方法具有較高的精度,在電感參數(shù)失配程度不斷變化的情況下,實現(xiàn)參數(shù)的精確跟蹤,預(yù)測誤差控制在2%,相較于傳統(tǒng)FCS-MPC,本文控制策略下的相電流總諧波失真也有所降低,電感失配程度隨機變化下q軸電流波動度降低30.5%,電流平均偏移度降低19.6%,另外,在參數(shù)失配情況下,所提算法對q軸參考電流的階躍變化有更好的動態(tài)響應(yīng)。
圖14 q軸電流階躍響應(yīng)(FCS-GPMPC)Fig.14 Step response of q-axis current