基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1：建立内置式永磁同步电机的集总参数热网络模型，以对永磁同步电机的温度进行预测；步骤2：建立定子电阻热模型和永磁体磁链热模型，以根据预测的温度准确观测当前温度下定子电阻阻值和永磁体磁链值；步骤3：使用温度计算磁链和电阻值，并根据电机状态方程建立电感观测模型观测电机电感值；步骤4：基于观测的电机参数通过自适应MTPA控制模块进行转矩预测和电流指令计算，实现对因退磁造成电机输出转矩误差的补偿，与现有技术相比，本发明专利技术具有实现有效补偿由于退磁导致的输出转矩误差以及实现全部电机参数的在线观测等优点。实现全部电机参数的在线观测等优点。实现全部电机参数的在线观测等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机控制
，尤其是涉及一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法及系统。

技术介绍

[0002]内置式永磁同步电机因其具有高效率、高转矩密度、高可靠性和转速范围宽等优势被广泛应用于工业领域。近年来，随着新能源汽车的推广，内置式永磁同步电机作为驱动装置得到广泛应用。然而车用永磁同步电机工作温度在
‑
40℃到150℃之间变化，由于温度升高会导致永磁体热退磁问题，如不加以补偿会导致输出转矩降低，对车辆安全行驶造成威胁。热退磁问题带来的输出转矩误差可以通过改进永磁体材料或改进电机冷却系统进行改善，但是以上两种方式成本较高，目前还不能有效解决输出转矩偏差问题。另外，通过改进控制方法解决转矩偏差问题具有较大的研究价值，且性价比较高。利用控制方法实现对输出转矩误差进行补偿首先需要实时获得准确的电机参数，电机参数会随着电机运行状态的变化而改变，对于永磁体磁链会受到外部退磁磁场和永磁体温度的影响，在电机正常工作范围内，永磁体温度是影响永磁体磁链的主要因素；对于定子绕组电阻，主要受温度变化的影响；对于定子电感主要受温度和磁饱和交叉饱和等因素的影响。由于车用永磁同步电机在实际应用中负载以及电机温度均变化剧烈，因此，实现电机输出转矩的准确控制，不能忽略电机参数的变化。
[0003]目前，常用的电机参数获取方法包括查表法和利用电机状态方程进行参数观测的方法。查表法是借助大量的实验测量各工况下的电机参数存储在离线表格中，在电机实际运行时根据电机的实际运行状态通过查表获取当前电机的参数。查表法需要提前进行大量实验，成本较高且不能考虑到所有可能出现的工况。利用电机的状态方程进行参数观测的方法一般会将部分参数视为常值，保证观测参数的个数不会超过状态方程的维数，以避免秩不足问题；因而不能实现全部参数的在线辨识。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法及系统。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：建立内置式永磁同步电机的集总参数热网络模型，对永磁同步电机的温度场进行预测；
[0008]步骤2：建立定子电阻热模型和永磁体磁链热模型，以根据预测的永磁同步电机的温度分别观测当前温度下定子电阻和永磁体磁链；
[0009]步骤3：根据观测的定子电阻和永磁体磁链结合电机状态方程建立电感观测模型，观测电机的电感；
[0010]步骤4：基于观测的电机参数通过自适应MTPA控制模块进行转矩预测和电流指令计算，实现对因退磁造成电机输出转矩误差的补偿。
[0011]所述的步骤1中，根据电机的结构参数、材料和冷却方式建立内置式永磁同步电机的集总参数热网络模型，集总参数热网络模型包括热阻、热熔和损耗，以根据热阻、热熔和损耗对温度进行预测；
[0012]根据电机的结构参数、材料和冷却方式将永磁同步电机划分为多个节点，根据划分的节点，集总参数热网络模型的导热热阻、对流换热热阻和辐射换热热阻的计算公式分别为：
[0013][0014][0015][0016]其中，R
cond
为导热热阻，R
conv
为对流换热热阻，R
rad
为辐射换热热阻，δ为导热路径长度,λ为导热系数，A为换热面的面积，h为对流换热系数，ε为物体发射率，σ为黑体辐射常数，T1和T2分别为两个物体表面的温度。
[0017]所述的集总参数热网络模型中各节点的热容的计算公式为：
[0018]C
th
＝mC
p
[0019]其中，C
th
为节点的热容，m为节点质量，C
p
为节点材料的比热容。
[0020]所述的集总参数热网络模型中永磁同步电机的功率损耗包括绕组铜损耗、铁心损耗、永磁体损耗和机械损耗。
[0021]当电流流过定子绕组时，所述的永磁同步电机的绕组铜损耗的计算公式为：
[0022][0023]其中，P
Cu
为绕组铜损耗，i
d
和i
q
分别为转子同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流，R
s
(T)为根据温度计算的定子电阻；
[0024]永磁同步电机的铁心损耗与通过铁心的磁通密度和电角频率有关，采用可伸缩铁心损耗计算模型计算电机铁心损耗，在一种给定工况下通过调整铁心损耗用集总参数热网络模型拟合实际测量的永磁同步电机各节点的温升过程，以获取该工况下的实际铁心损耗P
fe,ref
，其他工况下的铁心损耗根据该给定工况下的实际铁心损耗P
fe,ref
进行放缩得到，铁心损耗的计算公式为：
[0025][0026][0027]其中，P
fe
为铁心损耗，P
fe,ref
为给定工况下的实际铁心损耗，f为当前工况对应的电角频率，ψ为当前工况对应的合成磁链的幅值，f
ref
和ψ
ref
分别为给定工况对应的电角频率和永磁体磁链，x1和y1分别为铁心损耗的伸缩系数，ψ
m
(T,H)为受温度影响的永磁体磁链，和分别d轴电感和q轴电感的观测值；
[0028]采用与铁心损耗相似的损耗放缩方法计算永磁体损耗，永磁体损耗的计算公式为：
[0029][0030]其中，P
PM
为当前工况下的永磁体损耗，f和I分别为当前工况对应的电角频率和电流幅值，P
PM,ref
为给定工况下的永磁体损耗，f
b
和I
b
分别为参考工况对应的电角频率和电流幅值，x2和y2表示永磁体损耗的伸缩系数。
[0031]所述的步骤2中，根据绕组的参数建立定子电阻热模型，定子电阻热模型考虑温度分别对电机端部绕组和槽内绕组的影响，定子电阻热模型的表达式为：
[0032]R
s
(T)＝R
sw
(T)+R
sew
(T)
[0033]ꢀꢀꢀꢀꢀ
＝μR
sw0
(1+α
R
(T
w
‑
T0))+(1
‑
μ)R
sew0
(1+α
R
(T
ew
‑
T0))
[0034]其中，R
s
(T)为温度为T时的定子电阻，端部绕组阻值R
sw
(T)和R
sew
(T)分别为温度为T时的端部绕组电阻和槽内绕组电阻，R
sw0
和R
sew0
分别为温度T0时的端部绕组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：建立内置式永磁同步电机的集总参数热网络模型，对永磁同步电机的温度场进行预测；步骤2：建立定子电阻热模型和永磁体磁链热模型，以根据预测的永磁同步电机的温度分别观测当前温度下定子电阻和永磁体磁链；步骤3：根据观测的定子电阻和永磁体磁链结合电机状态方程建立电感观测模型，观测电机的电感；步骤4：基于观测的电机参数通过自适应MTPA控制模块进行转矩预测和电流指令计算，实现对因退磁造成电机输出转矩误差的补偿。2.根据权利要求1所述的一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，所述的步骤1中，根据电机的结构参数、材料和冷却方式建立内置式永磁同步电机的集总参数热网络模型，集总参数热网络模型包括热阻、热熔和损耗，以根据热阻、热熔和损耗对温度进行预测；根据电机的结构参数、材料和冷却方式将永磁同步电机划分为多个节点，根据划分的节点，集总参数热网络模型的导热热阻、对流换热热阻和辐射换热热阻的计算公式分别为：热网络模型的导热热阻、对流换热热阻和辐射换热热阻的计算公式分别为：热网络模型的导热热阻、对流换热热阻和辐射换热热阻的计算公式分别为：其中，R
cond
为导热热阻，R
conv
为对流换热热阻，R
rad
为辐射换热热阻，δ为导热路径长度,λ为导热系数，A为换热面的面积，h为对流换热系数，ε为物体发射率，σ为黑体辐射常数，T1和T2分别为两个物体表面的温度。3.根据权利要求2所述的一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，所述的集总参数热网络模型中各节点的热容的计算公式为：C
th
＝mC
p
其中，C
th
为节点的热容，m为节点质量，C
p
为节点材料的比热容。4.根据权利要求2所述的一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，所述的集总参数热网络模型中永磁同步电机的功率损耗包括绕组铜损耗、铁心损耗、永磁体损耗和机械损耗。5.根据权利要求4所述的一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，当电流流过定子绕组时，所述的永磁同步电机的绕组铜损耗的计算公式为：其中，P
Cu
为绕组铜损耗，i
d
和i
q
分别为转子同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流，R
s
(T)为根据温度计算的定子电阻；永磁同步电机的铁心损耗与通过铁心的磁通密度和电角频率有关，采用可伸缩铁心损耗计算模型计算电机铁心损耗，在一种给定工况下通过调整铁心损耗用集总参数热网络模型拟合实际测量的永磁同步电机各节点的温升过程，以获取该工况下的实际铁心损耗P
fe,ref
，其他工况下的铁心损耗根据该给定工况下的实际铁心损耗P
fe,ref
进行放缩得到，铁心损耗的计算公式为：其中，P
fe
为铁心损耗，P
fe,ref
为给定工况下的实际铁心损耗，f为当前工况对应的电角频率，ψ为当前工况对应的合成磁链的幅值，f
ref
和ψ
ref
分别为给定工况对应的电角频率和永磁体磁链，x1和y1分别为铁心损耗的伸缩系数，ψ
m
(T,H)为受温度影响的永磁体磁链，和分别d轴电感和q轴电感的观测值；采用与铁心损耗相似的损耗放缩方法计算永磁体损耗，永磁体损耗的计算公式为：其中，P
PM
为当前工况下的永磁体损耗，f和I分别为当前工况对应的电角频率和电流幅值，P
PM,ref
为给定工况下的永磁体损耗，f
b
和I
b
分别为参考工况对应的电角频率和电流幅值，x2和y2表示永磁体损耗的伸缩系数。6.根据权利要求1所述的一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，根据绕组的参数建立定子电阻热模型，定子电阻热模型考虑温度分别对电机端部绕组和槽内绕组的影响，定子电阻热模型的表达式为：R
s
(T)＝R
sw
(T)+R
sew
(T)＝μR
sw0
(1+α
R
(T
w
‑
T0))+(1
‑
μ)R
sew0
(1+α
R
(T
ew
‑
T0))其中，R
s
(T)为温度为T时的定子电阻，端部绕组阻值R
sw
(T)和R
sew
(T)分别为温度为T时的端部绕组电阻和槽内绕组电阻，R
sw0
和R
sew0
分别为温度T0时的端部绕组电阻和槽内绕组电阻，α
R
为铜的温度系数，μ为由端部绕组和槽内绕组的长度确定的比例系数，T
w
为槽内绕组温度，T
ew
为端部绕组温度。7.根据权利要求6所述的一种基于温度预测的永磁同步电机自适应在线控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，根据反电动势实验得到的永磁体磁链随温度变化的关系建立永磁体磁链热模型，在空载情况下由测功机拖动被测电机转子旋转，此时定子线圈切割磁感线而产生感应电动势，感应电动势与永磁体磁链之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俐，孟治金，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：