基于LSSVM的电磁直线执行器位移估算研究.pdf
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1、 传感器与微系统()年第卷第期:()基于的电磁直线执行器位移估算研究于杰,李波,葛文庆,谭草,崔(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博;山东工业职业学院冶金与汽车工程学院,山东淄博)摘要:针对电磁直线执行器应用中由于位移传感器而产生的结构紧凑性下降、成本高以及可靠性降低等问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机()的位移估算方法。应用多目标粒子群优化算法,以准确度和均方根误差()为优化目标对正则化参数和核宽度参数进行多目标优化;在特定工况下训练模型。模型应用与仿真实验验证结果表明:在不同负载力工况下估算控制准确度为 以上,为 以下;以不同位移控制目标对电磁执行器进行控制,准确度为以上,为 以
2、下。关键词:电磁直线执行器;无位移传感器控制;最小二乘支持向量机;多目标粒子群优化算法中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,;,):,()()(),;,:;();引言近年来,智能网联汽车对车辆控制执行技术,特别是底层驱动装置,提出了更高的要求,高效节能、高品质的直接驱动技术成为了驱动领域中的研究焦点。电磁直线执行器采用动圈式结构和阵列的永磁体排列方式,具有动态响应速度快和功率密度高等优势。然而,电磁直线执行器在市场化过程中面临着一些共性基础问题,复杂装备的集成设计对电磁驱动装置的设计,提出了严苛的要求,需要驱动装置在提供足够输出力与功率密度的同时,满足有限空间集成设计的要求,。支持向量
3、机(,)和人工神经网络等算法在位移估算上也得到越来越广泛的应用。在人工神经网络方面,朱誯秋等人利用反向传播(,)神经网络的拟合能力构建该子系统的左逆模型,实现对径向位移的观测;等人采用神经网络建模方法,对变形引起的电极电阻变化进行建模,由此实现对执行器的位移估计;等人通过多项式静态模型和神经网络模型来进行位移和力的估算;提出了一种基于神经网络的位置估计数据融合算法。在方面,卜文绍等人通过最小二乘支持向量机()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(,);山东省自然科学基金资助项目()第期于杰,等:基于的电磁直线执行器位移估算研究分别对开关磁阻电机和无轴承异步电机径向位移的估算,;袁野等人
4、将粒子群优化(,)算法与相结合的方法建立了控制线圈电流与转子位移之间的预测模型。本文以动圈式电磁直线执行器为研究对象,提出了一种基于的位移估算方法,并利用多目标(,)算法以准确度和均方根误差(,)为优化目标,对正则化参数和核宽度参数进行多目标优化,构建基于的电磁执行器位移估算控制系统,对执行器进行无位移传感器的控制与仿真。电磁执行器的原理与数学模型电磁执行器的结构与原理本文以永磁体为定子,固定在线圈骨架上的线圈绕组为动子,其具体结构与实物如图所示。当线圈通电时,由于气隙磁场与动圈电流的相互作用,线圈受到安培力作用,使动子线圈在磁场中运动,可通过控制电流的大小和方向来改变输出力的大小与方向。上端
5、盖线圈骨架驱动轴线圈绕组内磁轭永磁体外磁轭图动圈式电磁直线执行器 动圈式电磁直线执行器定子为固定在外磁轭上的永磁体,其采用阵列的排列方式,增加气隙磁通量,因此,执行器有更大且平稳的输出力。与普通阵列排列方式永磁体的电磁执行器磁力线对比如图所示。(a)?Halbach 阵列(b)?普通阵列线圈线圈骨架永磁体外磁轭线圈线圈骨架永磁体外磁轭图不同永磁体阵列磁力线对比电磁执行器的数学模型电磁直线执行器是一种多物理场相互耦合的复杂系统,多个物理场之间存在强耦合作用,如图所示。结合电路、磁路以及机械个子系统可以得到电磁直线执行器的空间状态方程()()()()()()(0)()式中()为外部直流电源电压,为
6、线圈总电阻,()为动子线圈电流,为动子线圈总电感,为气隙磁场强度,为单匝线圈切割磁感线的平均长度,为线圈匝数,()为感应电动势,为电磁力,系数为电磁力常数,为电磁执行器运动部件的质量,()为运动部件的位移,为受到的阻力和,为所受到的负载力。电路子系统Uc(t)=Rc?Ic(t)+Lc?dIc(t)/dt+Eemf(t)Uc(t)磁路子系统Fm=BlNIc(t)=kmIc(t)Fm机械子系统md2x(t)/dt2=Fm-Ff?-FdIc(t)kmv(t)Fd图各子系统耦合关系基于的位移估算方法以电流(),电压()和反电动势()为输入变量,使用来进行位移估算。基于的位移估算模型以数据集 (,),为
7、训练数据集,其中,为多维输入变量,为输出变量。存在非线性的映射关系()将数据集映射到高维空间可得()()()式中 为权向量,为偏移值。根据结构风险最小化原理,可以将优化问题描述为(,)(),()式中 为正则化参数,也称惩罚因子;为松弛变量。由拉格朗日乘数法可得(,)(,)()()式中 为拉格朗日乘数子。根据()条件,使用拉格朗日函数式()分别对,和求偏导等于,可得 (),()()将式()中的和消去化简并推导可得 ()其中,矩阵为核矩阵,根据条件可得其元素()()传 感 器 与 微 系 统第卷(,);,;,;本文以径向基核函数为研究对象,其公式如下(,)()()式中 为径向基核函数的核宽度参数。
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