一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法及装置，该方法包括：基于电磁原理和差分进化算法建立立方永磁体球形电机的逆转矩模型；确定应用于该球形电机驱动电流计算的差分进化算法具体实施策略；通过随机采样电流向量初始种群为目标电流向量获取电流基向量和一对或多对随机电流向量，得到变异电流向量；实现变异电流向量与目标电流向量之间至少一个维度的交叉操作

【技术实现步骤摘要】
一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法及装置


[0001]本专利技术涉及球形电机控制
，具体涉及一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法及装置，所述方法和装置可以通过差分进化算法建立立方永磁体球形电机的逆转矩模型，并快速稳定地计算其驱动电流
。

技术介绍

[0002]永磁球形电机在机器人关节
、
卫星姿态调节等领域有广阔的潜在应用前景，其驱动电流计算是实现永磁球形电机闭环控制的关键技术挑战之一
。
国内外学者在近三十年提出了一系列的永磁球形电机驱动电流计算方法，主要有采用伪逆矩阵的永磁球形电机驱动电流计算法
、
采用数据驱动的永磁球形电机驱动电流计算法和采用智能优化算法的永磁球形电机驱动电流计算法
、
开环步进控制控制法等几类方法，其中采用智能优化算法的电机驱动电流计算法用于非圆周对称永磁体球形电机驱动电流计算方便可靠，受到国内外学者的广泛关注
。
[0003]立方永磁体球形电机是一种非圆周对称永磁体球形电机，为实现其闭环控制，采用差分进化算法实现其驱动电流计算较采用遗传算法等智能优化算法的球形电机驱动电流计算方法具有算法结构简单
、
收敛速度更快
、
运行更稳定等优点
。
通过本专利技术解决了立方永磁体球形电机驱动电流快速
、
稳定计算的问题
。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法及装置，解决了立方永磁体球形电机驱动电流快速
、
稳定计算的问题
。
[0005]根据本申请的一个方面，提供了一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法，包括：创建立方永磁体球形电机的解析模型，基于该解析模型生成所述球形电机的转矩
Map
图，并进一步建立采用差分进化算法的立方永磁体球形电机逆转矩模型；确定应用于立方永磁体球形电机驱动电流计算的差分进化算法具体实施策略
、
变异因子
、
交叉概率
、
种群规模
、
最大迭代次数和算法结束条件等，执行差分进化算法的初始化操作；随机采样所述球形电机驱动电流的电流向量初始种群，为目标电流向量获取电流基向量和一对或者多对随机电流向量，并基于此生成变异电流向量；采用随机数与交叉概率比较实现变异电流向量与目标电流向量之间至少一个维度的交叉操作，产生新的交叉电流向量；依照立方永磁体球形电机驱动器驱动电流输出能力的范围限制交叉电流向量每一个纬度对应线圈电流值的上下限，根据适应度函数对所有交叉电流向量计算适应度值，通过贪婪选择让适应度值更接近1的交叉电流向量进入下一代电流向量种群；设置结束条件，当最佳电流向量的适应度值达到所规定的适应度阈值范围时或者差分进化算法的迭代次数达到最大值时，所述进化算法停止搜索，否则所述进化算法重复目标电流向量的变异
、
交叉和贪婪选择操作
。
[0006]可选地，所述立方永磁体球形电机转子拓扑为由一定数量立方永磁体组成单层
Halbach
阵列，定子磁极采用多个线圈沿赤道线上下双层对称布置，所述解析模型为基于电
磁理论所建立的立方永磁体球形电机电磁转矩解析模型，所述转矩
Map
是单位电流激励的线圈以
n
度为步距，沿方位角和极角方向遍历整个转子气隙所得到的转矩分布图，进而建立采用差分进化算法的立方永磁体球形电机逆转矩模型
。
[0007]可选地，所述采用差分进化算法的立方永磁体球形电机逆转矩模型为通过电机闭环控制算法确定期望转矩，并依据叠加定理采用差分进化算法在已知期望转矩基础上对转矩
Map
进行寻优计算，逆算出所述球形电机所有线圈的最优驱动电流向量
。
[0008]可选地，所述差分进化算法具体实施策略是以所有线圈驱动电流构成向量并初始化为电流向量初始种群，采用期望转矩和电流向量基于转矩
Map
的计算转矩构成望1适应度函数，执行差分进化算法的初始化操作，并通过调参确定变异因子
、
交叉概率
、
种群规模等参数
。
[0009]可选地，所述变异电流向量将一对或者多对随机电流向量之间的差值分别乘以变异因子
,
再以电流基向量为基准求和，共同产生所述目标电流向量对应的变异电流向量
。
[0010]可选地，所述至少一个维度的交叉操作是指将目标电流向量中至少一个线圈的驱动电流值与变异电流向量在该维度对应的线圈驱动电流值对换
。
[0011]可选地，所述驱动电流输出能力的范围指电流向量每一个维度对应线圈电流的绝对值不能超过所述球形电机驱动器电流源电路能输出的最大电流值，用于计算所述差分进化算法适应度值的交叉电流向量每一个维度的电流值绝对值不能超过所述最大电流值
。
[0012]可选地，所述适应度值为根据限值后交叉电流向量计算的转矩与期望转矩构成望1型的适应度函数计算值，适应度值越接近于1，电流向量越能成为最优值
。
[0013]可选地，所述适应度阈值范围是指最佳交叉电流向量对应的望1型适应度函数计算值大小应该在大于某一阈值且小于等于1的范围内，所述迭代次数是指用于立方永磁体球形电机驱动电流计算的差分进化算法寻优搜索的最大循环次数
。
[0014]根据本申请的另一个方面，还提供了一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算装置，其特征在于，包括：
[0015]控制模块
、
计算模块
、
存储模块和球形电机驱动器模块
。
[0016]进一步地，所述控制模块，用于获取所述立方永磁体球形电机闭环控制所需的实时期望转矩；
[0017]进一步地，所述计算模块，用于部署所述立方永磁体球形电机驱动电流计算的差分进化算法模型，实时寻优计算期望转矩对应的最佳电流向量；
[0018]进一步地，所述存储模块，用于存储期望转矩和最佳电流向量等算法变量并提供所述立方永磁体球形电机驱动控制器接收电流向量指令的接口；
[0019]进一步地，所述球形电机驱动器模块，用于接收立方永磁体球形电机的电流向量指令，并输出驱动电流控制球形电机按期望运动
。
[0020]本专利技术具有如下优点：
[0021]通过本专利技术提供的一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法及装置，该方法能建立立方永磁体球形电机的转矩
Map
图，并获得实时性强且稳定的逆转矩模型
。
进一步采用差分进化算法对期望转矩进行寻优计算，最终得到驱动所述立方永磁体球形电机按期望运动的电流向量指令
。
与现有技术相比，本专利技术所采用的差分进化算法稳定性更高，搜索能力更强，收敛速度也更快
。
因此本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法，其特征在于，所述的立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法包括以下步骤：步骤
S1
：创建立方永磁体球形电机的解析模型，基于该解析模型生成所述球形电机的转矩
Map
图，并进一步建立采用差分进化算法的立方永磁体球形电机逆转矩模型；步骤
S2
：确定应用于立方永磁体球形电机驱动电流计算的差分进化算法具体实施策略包括变异因子
、
交叉概率
、
种群规模
、
最大迭代次数和算法结束条件，执行差分进化算法的初始化操作；步骤
S3
：随机采样所述球形电机驱动电流的电流向量初始种群，为目标电流向量获取电流基向量和一对或者多对随机电流向量，并基于此生成变异电流向量；步骤
S4
：采用随机数与交叉概率比较实现变异电流向量与目标电流向量之间至少一个维度的交叉操作，产生新的交叉电流向量；步骤
S5
：依照立方永磁体球形电机驱动器驱动电流输出能力的范围限制交叉电流向量每一个纬度对应线圈电流值的上下限，根据适应度函数对所有交叉电流向量计算适应度值，通过贪婪选择让适应度值更接近1的交叉电流向量进入下一代电流向量种群；步骤
S6
：设置结束条件，当最佳电流向量的适应度值达到所规定的适应度阈值范围时或者差分进化算法的迭代次数达到最大值时，所述进化算法停止搜索，否则所述进化算法重复目标电流向量的变异
、
交叉和贪婪选择操作
。2.
根据权利要求1所述的一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法，其特征在于，在步骤
S1
内，所述立方永磁体球形电机转子拓扑为由一定数量立方永磁体组成单层
Halbach
阵列，定子磁极采用多个线圈沿赤道线上下双层对称布置，所述解析模型为基于电磁理论所建立的立方永磁体球形电机电磁转矩解析模型，所述转矩
Map
是单位电流激励的线圈以
n
度为步距，沿方位角和极角方向遍历整个转子气隙所得到的转矩分布图，进而建立采用差分进化算法的立方永磁体球形电机逆转矩模型
。3.
根据权利要求2所述的一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法，其特征在于，所述采用差分进化算法的立方永磁体球形电机逆转矩模型为通过电机闭环控制算法确定期望转矩，并依据叠加定理采用差分进化算法在已知期望转矩基础上对转矩
Map
进行寻优计算，逆算出所述球形电机所有线圈的最优驱动电流向量
。4.
根据权利要求1所述的一种立方永磁体球形电机驱动电流差分进化计算方法，其特征在于，在步骤
S2

【专利技术属性】
技术研发人员：李国丽，王群京，周嗣理，钱喆，许家紫，李浩霖，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：