永磁同步电机分数阶等效电路模型及其辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机分数阶等效电路模型及其辨识方法，包括旋转坐标系下的d轴等效电路和q轴等效电路，两个等效电路均包括依次相连的电机对应轴电压、电机定子绕组电阻、电机对应轴分数阶电感、对应轴电流控制的电压源，其中，q轴等效电路还包括由转子永磁体的励磁磁通控制的电压源，所述分数阶电感的阶次基于最小二乘法辨识模型确定。分数阶的引入使得模型动态性能更优、稳态性能精度更高。由于增加了分数阶变阶参数，模型获得了更多的自由度、更大的柔性和新意，具有较高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机分数阶等效电路模型及其辨识方法
本专利技术涉及一种永磁同步电机分数阶等效电路模型及其辨识方法。
技术介绍
传统汽车排放的温室气体是全球气候变暖的主要致因，而伴随而来的能源枯竭和环境污染的日益严重，纯电动汽车越来越受到社会重视，已经成为未来汽车发展的主要方向。电机驱动系统是电动汽车动力系统最核心和最关键的部件，是动力电池最直接的输出负载，其性能对整车动力性、经济性和舒适性至关重要。永磁驱动电机因具有效率高、能量密度大、响应快、调速性能好、体积小、运行可靠等众多优点，已经成为当前电动汽车用驱动电机研发与应用的热点。精确的电机模型对高性能电机控制器的设计具有重要意义，是电动汽车电机驱动系统性能优化和效率优化的基础。按不同的建模方法电机模型可以划分为不同的种类，如按模型阶数，可以分为三阶模型、四阶模型、五阶模型、高阶模型、降阶模型等；按电机变量变化情况，可以分为稳态模型和暂态模型；按是否考虑铁损等损耗，可以分为忽略损耗的模型和考虑损耗的模型；按模型变量，可以划分为电流模型、磁链模型和混合模型等。目前，常用的电机模型按不同研究领域主要有以下几种：①物理坐标系模型、②等效电路模型、③磁链模型、④小信号模型、⑤归一化模型、⑥空间相量模型等。其中，等效电路模型因物理意义清晰，建模分析简单，在电机效率优化、最小损耗控制等方面得到了广泛应用。然而，建立一个实用而精确的电机模型并不简单，这是因为永磁驱动电机是一个多变量、非线性、强耦合的高阶时变系统。目前传统等效电路模型中采用整数阶的电感模型，实际上，电机表现出较强的非线性特性，更适合用分数阶模型来模拟。对比整数阶模型，分数阶电机模型具有更多的自由度、更大的柔性。同时，分数阶电感的引入也增加了许多新的现象和规律，具有比常规整数阶电机模型更优的动态响应特性。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种永磁同步电机分数阶等效电路模型及其辨识方法，本专利技术将传统等效电路模型的整数阶电感推广到分数阶，并基于最小二乘法辨识模型的参数和阶次。分数阶的引入使得模型动态性能更优、稳态性能精度更高。由于增加了分数阶变阶参数，模型获得了更多的自由度、更大的柔性。本专利技术兼顾了模型的实用性和准确性，具有较高的应用价值。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，包括旋转坐标系下的d轴等效电路和q轴等效电路，两个等效电路均包括依次相连的电机对应轴电压、电机定子绕组电阻、电机对应轴分数阶电感、对应轴电流控制的电压源，其中，q轴等效电路还包括由转子永磁体的励磁磁通控制的电压源，所述分数阶电感的阶次基于最小二乘法辨识模型确定。进一步的，所述d轴等效电路，电路电压方程表示为式中，ud为电机d轴电压；id、iq分别为电机d轴和q轴电流；Lq分别为电机q轴分数阶电感大小；Rs为电机定子绕组电阻；np为定子绕组的极对数；ωm为转子机械角速度。进一步的，所述q轴等效电路，电路电压方程表示为式中，uq分别为电机q轴电压；ψf为转子永磁体的励磁磁通。所述的永磁同步电机分数阶等效电路模型，其输出转矩表示为Te＝np[ψf+(Ld-Lq)id]iq，式中，Te为电机的输出转矩。所述的分数阶电感，利用分数阶微积分理论来描述实际电感特性的分数阶电感模型，其特性方程表示为对应的传递函数可以表示为Uα(s)＝Zα(s)Iα(s)，式中，α为分数阶电感的分数阶阶次；i(t)和u(t)分别为分数阶电感通过的电流和两端的电压；Ua(s)、Ia(s)分别表示分数阶电感电压和电流的象函数；Za(s)为分数阶电感的阻抗。所述的分数阶电感的阻抗Za(s)，令s＝jω，表示为：基于上述永磁同步电机分数阶等效电路模型的辨识方法，包括以下步骤：(1)根据分数阶微积分理论，实际的电容、电感模型都是分数阶元件，表示分数阶电感的特性方程及传递函数；(2)构建永磁同步电机分数阶等效电路模型；(3)通过用电桥测量三相电阻确定电机定子绕组电阻；(4)基于电机稳态电压方程，通过电压、电流及转速数据的采集，通过稳态计算实现电机d轴和q轴分数阶电感参数的离线辨识；(5)通过测量电压、电流和计算得到的等效电路分数阶电感得到分数阶电感的分数阶阶次。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1.本专利技术将传统的永磁同步电机等效电路模型推广到分数阶，并通过实验辨识模型参数和分数阶阶次，由于增加了分数阶阶数这一未知参数，模型获得了更多的自由度、更大的柔性和新意；分数阶变阶等效电路模型从而获得了更高的精度、更好的动态性能和稳定性；2.电感展现出了分数阶特性，釆用分数阶微积分描述那些本身带有分数阶特性的对象时，能更好地描述对象的本质特性及其行为，从这方面上讲，分数阶应比传统整数阶更为精确，具有较高的实用价值。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术永磁同步电机分数阶等效电路d轴模型结构示意图；图2为本专利技术永磁同步电机分数阶等效电路q轴模型结构示意图；具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在永磁驱动电机是一个多变量、非线性、强耦合的高阶时变系统，因此建立一个实用而精确的电机模型并不简单的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种永磁同步电机分数阶等效电路模型及其辨识方法，本专利技术将传统等效电路模型的整数阶电感推广到分数阶，并基于最小二乘法辨识模型的参数和阶次。分数阶的引入使得模型动态性能更优、稳态性能精度更高。由于增加了分数阶变阶参数，模型获得了更多的自由度、更大的柔性。本专利技术是在传统模型的基础上实现的，兼顾了模型的实用性和准确性，具有较高的应用价值。本专利技术公开的一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，包括旋转坐标系下的d轴等效电路和q轴等效电路。其中，d轴等效电路包括电机d轴电压ud、电机定子绕组电阻Rs、电机d轴分数阶电感Ld、电流iq控制的电压源等；q轴等效电路包括电机q轴电压uq、电机定子绕组电阻Rs、电机q轴分数阶电容感Lq、电流id控制的电压源等。所述的d轴等效电路，电路电压方程可以表示为式中，ud为电机d轴电压；id、iq分别为电机d轴和q轴电流；Lq分别为电机q轴分数阶电感大小；Rs为电机定子绕组电阻；np为定子绕组的极对数；ωm为转子机械角速度。所述的q轴等效电路，电路电压方程可以表示为式中，uq分别为电机q轴电压；ψf为转子永磁体的励磁磁通。所述的永磁同步电机分数阶等效电路模型，其输出转矩可以表示为Te＝np[ψf+(Ld-Lq)id]iq，式中，Te为电机的输出转矩。所述的分数阶电感(Fractiona本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，其特征是：包括旋转坐标系下的d轴等效电路和q轴等效电路，两个等效电路均包括依次相连的电机对应轴电压、电机定子绕组电阻、电机对应轴分数阶电感、对应轴电流控制的电压源，其中，q轴等效电路还包括由转子永磁体的励磁磁通控制的电压源，所述分数阶电感的阶次基于最小二乘法辨识模型确定。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，其特征是：包括旋转坐标系下的d轴等效电路和q轴等效电路，两个等效电路均包括依次相连的电机对应轴电压、电机定子绕组电阻、电机对应轴分数阶电感、对应轴电流控制的电压源，其中，q轴等效电路还包括由转子永磁体的励磁磁通控制的电压源，所述分数阶电感的阶次基于最小二乘法辨识模型确定。2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，其特征是：所述d轴等效电路，电路电压方程表示为式中，ud为电机d轴电压；id、iq分别为电机d轴和q轴电流；Lq分别为电机q轴分数阶电感大小；Rs为电机定子绕组电阻；np为定子绕组的极对数；ωm为转子机械角速度。3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，其特征是：所述q轴等效电路，电路电压方程表示为式中，uq分别为电机q轴电压；ψf为转子永磁体的励磁磁通。4.如权利要求1所述的一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，其特征是：所述的永磁同步电机分数阶等效电路模型，其输出转矩表示为Te＝np[ψf+(Ld-Lq)id]iq，式中，Te为电机的输出转矩。5.如权利要求1所述的一种永磁同步电机分数阶等效电路模型，其特征是：所述的分数阶电感，利用分数阶微积分理论来描述实际电感特性的分数阶电感模型，其特性方程表示为0＜α＜1，对应的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：张奇，张承慧，李珂，崔纳新，商云龙，段彬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37