CN114859716A - 基于多学科协同优化接口电路设计方法及电机模拟器*** - Google Patents

基于多学科协同优化接口电路设计方法及电机模拟器*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于多学科协同优化接口电路设计方法及电机模拟器***，通过对LCL型接口电路参数迭代执行***级与学科级相互协同的优化过程，既满足了电机模拟器***的实际模拟精度需求，还同时兼顾了电机模拟器***设计成本及体积，从而使参数设计更加合理，有效克服了现有技术中针对LCL型等复杂接口结构参数的设计过度依赖经验与试凑的弊端，并且使最终设计出的接口电路与电机模拟器***的综合性能更加优越。

Description

基于多学科协同优化接口电路设计方法及电机模拟器***
技术领域
本发明属于电机驱动***功率级硬件在环测试技术领域，具体涉及基于多学科协同优化设计的接口电路及电机模拟器***。
背景技术
当前，电机驱动***测试作为电机控制***开发中的关键环节，广泛采用电机模拟器***这种基于功率级硬件在环测试技术的测试平台来实现，通过数字仿真和功率器件的组合，以对真实电机接口特性进行精确模拟。接口电路是电机模拟器的重要组成部分，在很大程度上决定了电机模拟器模拟精度。然而，现有接口电路的参数设计工作主要依赖于工程经验，需要通过反复试凑方能得到效果最佳的参数组合。但是，这种试凑的方式具有随机性强、试验次数多、参数选择缺乏依据等诸多缺点，并且最终得到的可能并非全局最优解。对于一些结构较为复杂接口电路(如LCL型电路)的参数设计中，由于接口参数众多，仅凭工程经验和反复试凑更难以得到效果最好的参数组合。
发明内容
有鉴于此，针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于多学科协同优化接口电路设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一、针对电机模拟器***中作为能量缓冲网络与滤波网络的LCL型接口电路，设定对其进行参数设计的优化目标，包括相电流跟踪误差与接口电路的***总电感；
步骤二、根据所述电机模拟器***的模拟精度与稳定性需求，确定优化过程中与所述优化目标相关的优化变量：输入侧电感、输出侧电感、滤波电容以及阻尼电阻，并设定相应的接口电路***总电感与谐振频率的约束条件；
步骤三、以所述相电流跟踪均方根误差与接口电路的***总电感达到综合最小，以及二者分别达到最小，建立***级优化目标函数；基于该***级优化目标函数计算出各所述优化变量的目标值；
步骤四、针对所述约束条件及其各自涉及的优化变量分别建立对应的两个子学科，并将相应优化变量所对应的所述目标值分配给每个子学科；以每个子学科在其各自约束条件下，所述优化变量与所述目标值的偏差综合达到最小来建立每个子学科的学科级优化目标函数，并分别执行各优化变量的优化计算；
步骤五、重复迭代执行所述步骤三与步骤四，计算出一致满足***级优化目标函数以及各学科级优化目标函数的优化变量结果，并作为最终设计出的接口电路参数。
进一步地，步骤一中所设定的相电流跟踪均方根误差优化目标，具体基于以下表达式：
Figure BDA0003612574870000021
式中，
Figure BDA0003612574870000022
ip分别为相电流参考值、实际值；
所设定的接口电路的***总电感优化目标，具体基于以下表达式：
Lm＝Li+Lo
式中，Lm为总电感，Li为电机模拟器***输入侧电感，Lo为电机模拟器***输出侧电感。
进一步地，步骤二中所设定的约束条件，具体基于以下表达式：
Figure BDA0003612574870000023
式中，Ls为所述电机模拟器***所模拟电机相电感，ωmax为所模拟电机峰值转速，ωPWM为所述电机模拟器***SVPWM调制角频率，ωres为所述LCL型接口电路谐振频率，满足下式：
Figure BDA0003612574870000024
进一步地，步骤三中所建立的***级优化目标函数，具体表示为以下形式：
Figure BDA0003612574870000025
式中，ω1为所述相电流跟踪均方根误差的权重因子，ω2为所述接口电路的***总电感的权重因子，s1为相电流跟踪均方根误差的比例因子，s2为总电感的比例因子，所述权重因子与比例因子都可依据工程经验、通过对两子学科目标的综合考量来确定；t为时间变量，t1、t2表示不同时刻。
进一步地，步骤四中所述两个子学科的学科级优化目标函数分别表示为：
子学科1：
Figure BDA0003612574870000026
子学科2：
Figure BDA0003612574870000031
通过重复迭代执行步骤三与步骤四，最终得到一致满足以下总体目标函数的各优化变量：
Figure BDA0003612574870000032
进一步地，为保证优化变量能够最终满足总体目标函数的一致性约束，为各子学科设置相应的松弛因子ε来扩大迭代的可行域：
Figure BDA0003612574870000033
进一步地，针对所述***级优化目标函数与学科级优化目标函数，根据实际需要选择粒子群优化算法和/或遗传算法进行计算。
相应地，本发明还提供了一种电机模拟器***，包括基于以上本发明所提供的方法设计的LCL型接口电路，以及电机模拟器与待测电机控制器；
其中，所述电机模拟器由实时处理器与驱动电路组成；所述实时处理器用于运行电机模型、接口控制算法以及PWM调制算法，通过采集所述LCL型接口电路的三相电压和电流信号，依次经过电机模型与接口控制算法计算出期望输出电压，并利用PWM调制算法与所述驱动电路控制输出三相电流目标值；
所述待测电机控制器执行电机控制算法，通过其自身驱动电路和所述LCL型接口电路向电机模拟器输出三相电压。
上述实时处理器可采用FPGA芯片、DSP芯片等实现，可由FPGA芯片负责运行电机模型，DSP芯片负责运行接口控制算法、调制算法。
上述PWM调制算法可基于SVPWM调制或其他为本领域所公知的调制方式。
上述本发明所提供的基于多学科协同优化接口电路设计方法及电机模拟器***，通过对LCL型接口电路参数迭代执行***级与学科级相互协同的优化过程，既满足了电机模拟器***的实际模拟精度需求，还同时兼顾了电机模拟器***设计成本及体积，从而使参数设计更加合理，有效克服了现有技术中针对LCL型等复杂接口结构参数的设计过度依赖经验与试凑的弊端，并且使最终设计出的接口电路与电机模拟器***的综合性能更加优越。
附图说明
图1为本发明所提供方法的流程示意图；
图2为本发明所针对的LCL型接口电路拓扑图；
图3为本发明所提供方法中的***级与学科级协同优化框架图；
图4为基于本发明所设计的优选电机模拟器***拓扑结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的一种基于多学科协同优化接口电路设计方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤一、针对电机模拟器***中作为能量缓冲网络与滤波网络的LCL型接口电路，其拓扑结构如图2所示，设定对其进行参数设计的优化目标，包括相电流跟踪误差与接口电路的***总电感；
步骤二、根据所述电机模拟器***的模拟精度与稳定性需求，确定优化过程中与所述优化目标相关的优化变量：输入侧电感Li、输出侧电感Lo、滤波电容C以及阻尼电阻Rc，并设定相应的接口电路***总电感与谐振频率的约束条件；
步骤三、以所述相电流跟踪均方根误差与接口电路的***总电感达到综合最小，以及二者分别达到最小，建立***级优化目标函数；基于该***级优化目标函数计算出各所述优化变量的目标值；
步骤四、针对所述约束条件及其各自涉及的优化变量分别建立对应的两个子学科，并将相应优化变量所对应的所述目标值分配给每个子学科；以每个子学科在其各自约束条件下，所述优化变量与所述目标值的偏差综合达到最小来建立每个子学科的学科级优化目标函数，并分别执行各优化变量的优化计算；
步骤五、重复迭代执行所述步骤三与步骤四，计算出一致满足***级优化目标函数以及各学科级优化目标函数的优化变量结果，并作为最终设计出的接口电路参数。
在本发明的一个优选实施方式中，考虑电机模拟器首要目标是对真实电机的精确模拟，因此设定相电流跟踪均方根误差作为优化目标之一，具体基于以下表达式：
Figure BDA0003612574870000041
式中，
Figure BDA0003612574870000042
ip分别为相电流参考值、实际值；
考虑到相电流跟踪过程存在大量非线性环节，直接计算相电流跟踪误差存在困难，因此引入电磁实时仿真进行计算考虑电机模拟器***体积与成本，设定接口电路的***总电感作为另一优化目标，具体基于以下表达式：
Lm＝Li+Lo
式中，Lm为总电感，Li为电机模拟器***输入侧电感，Lo为电机模拟器***输出侧电感。
在本发明的一个优选实施方式中，综合考虑模拟精度、***稳定性，设定以下约束条件：
Figure BDA0003612574870000051
式中，Ls为所述电机模拟器***所模拟电机相电感，ωmax为所模拟电机峰值转速，ωPWM为所述电机模拟器***SVPWM调制角频率，ωres为所述LCL型接口电路谐振频率，满足下式：
Figure BDA0003612574870000052
在本发明的一个优选实施方式中，构建多学科协同优化体系，设计***级优化及各子学科级优化。将所述LCL型接口参数设计问题划分为2个子学科：子学科1代表***模拟精度，将追求相电流跟踪误差最小化；子学科2代表总体积及成本，将追求总电感的最小化。由此，本发明设计了如图3所示的协同优化框架结构，其中对于***级优化目标函数，可表示为以下形式：
Figure BDA0003612574870000053
式中，ω1为所述相电流跟踪均方根误差的权重因子，ω2为所述接口电路的***总电感的权重因子，s1为相电流跟踪均方根误差的比例因子，s2为总电感的比例因子，t为时间变量，t1、t2表示不同时刻。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤四中所述两个子学科的学科级优化目标函数分别表示为：
子学科1：
Figure BDA0003612574870000054
子学科2：
Figure BDA0003612574870000055
通过重复迭代执行步骤三与步骤四，最终得到一致满足以下总体目标函数的各优化变量：
Figure BDA0003612574870000061
以上步骤的执行过程中，***级优化在追求目标函数最小化的同时，不断将各设计变量目标值分配给各子学科；子学科级优化追求在符合本学科约束条件的前提下设计变量优化值与分配目标值的差距最小化，并将优化结果反馈至***级，实现一轮迭代寻优。经过反复迭代，最终能够得到符合各子学科间一致性要求的最优参数组合，从而构建多学科协同优化体系。
考虑到优化初期各子学科优化结果存在较大差异，***级优化不易达到一致性约束，因此在本发明的一个优选实施方式中，为保证优化变量能够最终满足总体目标函数的一致性约束，为各子学科设置相应的松弛因子ε来扩大迭代的可行域：
Figure BDA0003612574870000062
由于LCL型接口电路参数设计问题目标函数复杂、存在局部最优、寻优计算过程包含电磁仿真，因此应选择无梯度全局优化算法进行迭代寻优。因此，本领域技术人员根据本发明的教导，可针对所述***级优化目标函数与学科级优化目标函数，按照实际需要选择粒子群优化算法和/或遗传算法进行计算。
相应地，本发明还提供了一种电机模拟器***，包括基于以上本发明所提供的方法设计的LCL型接口电路2，以及电机模拟器与待测电机控制器1；
接口电路2用于避免电机控制器与电机模拟器两侧驱动电路直接并联，并对三相电流起到滤波作用；
其中，所述电机模拟器由实时处理器4与驱动电路3组成；所述实时处理器4用于运行电机模型、接口控制算法以及PWM调制算法，通过采集所述LCL型接口电路2的三相电压和电流信号，依次经过电机模型与接口控制算法计算出期望输出电压，并利用PWM调制算法与所述驱动电路3控制输出三相电流目标值；
驱动电路3可采用三相两电平电压源型逆变器，通过实时处理器4输出的调制信号输出三相电压，用于对三相电流的控制与跟踪，同时实现对真实电机反电动势的模拟；
所述待测电机控制器1执行电机控制算法，通过其自身驱动电路和所述LCL型接口电路向电机模拟器输出三相电压，从而能够实现对真实电机接口特性的精确模拟。
上述实时处理器可采用FPGA芯片、DSP芯片等实现，可由FPGA芯片负责运行电机模型，DSP芯片负责运行接口控制算法、调制算法。
上述PWM调制算法可基于SVPWM调制或其他为本领域所公知的调制方式。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于多学科协同优化接口电路设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、针对电机模拟器***中作为能量缓冲网络与滤波网络的LCL型接口电路，设定对其进行参数设计的优化目标，包括相电流跟踪误差与接口电路的***总电感；
步骤二、根据所述电机模拟器***的模拟精度与稳定性需求，确定优化过程中与所述优化目标相关的优化变量：输入侧电感、输出侧电感、滤波电容以及阻尼电阻，并设定相应的接口电路***总电感与谐振频率的约束条件；
步骤三、以所述相电流跟踪均方根误差与接口电路的***总电感达到综合最小，以及二者分别达到最小，建立***级优化目标函数；基于该***级优化目标函数计算出各所述优化变量的目标值；
步骤四、针对所述约束条件及其各自涉及的优化变量分别建立对应的两个子学科，并将相应优化变量所对应的所述目标值分配给每个子学科；以每个子学科在其各自约束条件下，所述优化变量与所述目标值的偏差综合达到最小来建立每个子学科的学科级优化目标函数，并分别执行各优化变量的优化计算；
步骤五、重复迭代执行所述步骤三与步骤四，计算出一致满足***级优化目标函数以及各学科级优化目标函数的优化变量结果，并作为最终设计出的接口电路参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中所设定的相电流跟踪均方根误差优化目标，具体基于以下表达式：
Figure FDA0003612574860000011
式中，
Figure FDA0003612574860000012
ip分别为相电流参考值、实际值；
所设定的接口电路的***总电感优化目标，具体基于以下表达式：
Lm＝Li+Lo
式中，Lm为总电感，Li为电机模拟器***输入侧电感，Lo为电机模拟器***输出侧电感。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤二中所设定的约束条件，具体基于以下表达式：
Figure FDA0003612574860000021
式中，Ls为所述电机模拟器***所模拟电机相电感，ωmax为所模拟电机峰值转速，ωPWM为所述电机模拟器***SVPWM调制角频率，ωres为所述LCL型接口电路谐振频率，满足下式：
Figure FDA0003612574860000022
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤三中所建立的***级优化目标函数，具体表示为以下形式：
Figure FDA0003612574860000023
式中，ω1为所述相电流跟踪均方根误差的权重因子，ω2为所述接口电路的***总电感的权重因子，s1为相电流跟踪均方根误差的比例因子，s2为总电感的比例因子，t为时间变量，t1、t2表示不同时刻。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤四中所述两个子学科的学科级优化目标函数分别表示为：
子学科1：
Figure FDA0003612574860000024
子学科2：
Figure FDA0003612574860000025
通过重复迭代执行步骤三与步骤四，最终得到一致满足以下总体目标函数的各优化变量：
Figure FDA0003612574860000031
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：为保证优化变量能够最终满足总体目标函数的一致性约束，为各子学科设置相应的松弛因子ε来扩大迭代的可行域：
Figure FDA0003612574860000032
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：针对所述***级优化目标函数与学科级优化目标函数，根据实际需要选择粒子群优化算法和/或遗传算法进行计算。
8.一种电机模拟器***，其特征在于：包括根据前述权利要求中任一项所述方法设计的LCL型接口电路，以及电机模拟器与待测电机控制器；
其中，所述电机模拟器由实时处理器与驱动电路组成；所述实时处理器用于运行电机模型、接口控制算法以及PWM调制算法，通过采集所述LCL型接口电路的三相电压和电流信号，依次经过电机模型与接口控制算法计算出期望输出电压，并利用PWM调制算法与所述驱动电路控制输出三相电流目标值；
所述待测电机控制器执行电机控制算法，通过其自身驱动电路和所述LCL型接口电路向电机模拟器输出三相电压。
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