基于神经网络的车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于神经网络的车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿方法，该方法针对温度对定子电阻和永磁磁链的影响，建立神经网络模型描述温度对车载永磁同步电机中多参数的非线性耦合作用；并基于所建立的神经网络模型，设计对于输出转矩的温度补偿器，使得对电机能够进行有效的、连续的控制，得到理想的、平滑的输出转矩。本发明专利技术中采用温度补偿控制系统，控制器根据不同的电机温度，调节控制量，对电机进行实时控制，以得到平滑的输出转矩，减少了技术人员的操作难度，不需要根据效率MAP图实时调整电压控制量，能够根据温度的连续变化实时调整，大大提高了控制精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿的
，具体涉及一种基于神经网络的车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿方法。
技术介绍
永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)和传统的电励磁电机相比较，不需要励磁电流，显著地提高了功率因素，减少了定子损耗和定子电流，并且在稳定运行时没有转子损耗，从而减小了总体的损耗。使电机效率比同规格的电励磁电机效率提高了2％～8％。同时，永磁同步电机在25％～120％的额定负载范围内都可以保持很高的功率和效率因素，从而使在轻载运行时有很明显的节能效果。与电励磁同步电机比较，永磁同步电机省去励磁功率，提高了效率，简化了点及内部结构，实现了无刷化。尤其是100～1000KW的电动机，还省去了励磁柜，它的总成本增加不多，成了高效率的永磁同步电机有一个重要的应用场合。永磁材料对温度的敏感性很大，尤其是车用PMSM选用的铷铁硼温度对温度尤为敏感。从冷态(低温环境温度)运行到热态(高温环境温度加温升)温度提高100℃，则铷铁硼永磁电机的每极气隙磁通量将减少10％以上。如果再计及电枢电阻随温度升高而增大导致电阻压降增大和电枢反应的去磁作用，变化率还会增加。温升对永磁同步电机的影响是双重的：一方面会使得定子电阻发生变化，另一方面会引起永磁体电磁特性的变化。随着工作环境温度的变化，永磁体的剩磁和矫顽力会产生近似线性的变化，而这两者对永磁磁链的影响是非线性耦合的。在相同的驱动电流电压下，温度的变化影响永磁同步电机的励磁转矩平滑输出，因此提出使用神经网络的方法构建温度与输出转矩的非线性模型，以此为基础设计一个神经网络自适应控制器，以实现对永磁同步电机的温度补偿，这样将得到一个平滑的输出转矩。1.现有技术一的技术方案早期研究中对其他类型电机的温度补偿研究较多。如异步测速发电机，有基于硬件电路设计的温度补偿的方法：原端补偿法、内反馈补偿、增加磁回路。原端补偿法，又称为参数补偿法，在原端(励磁回路)中加入热敏电阻或热敏电阻网络使原端总电阻的温度系数接近于零。缺点：热敏电阻温度的非线性，不可能在每个工作点上都得到补偿。内反馈补偿，在励磁绕组和输出绕组之间增加反馈绕组，反馈绕组的输出电动势以负反馈的形式送入原端比较元件，改变输入信号。对永磁式直流发电机，增加一个永磁材料制作的磁分路，也可从结构上对温度扰动进行补偿。上述处理方法的缺点：改变电机原有结构，增加电子元器件。目前在车载式永磁同步电机的设计中，未见公开发表的针对温度的输出补偿设计。随着车用永磁同步电机的精确控制，需要进一步研究温度场对永磁体磁链、定子电阻、等效电容分量等电机参数运行数据的影响，并对由此产生的输出力矩波动进行补偿。2.现有技术二的技术方案电机效率MAP图(又叫做云图、等高线图)是电机在测试时生成的数据曲线，其常见作用是反映电机在不同转速和转矩下电机的效率的分布情况。在永磁同步电机的设计中，电机的效率的分布和高效区域占总区域的比例十分重要。在永磁同步电机的实际运行中，是否选择到合理的运行区间，使得电机能够在实际运行当中运行在高效率区域，这对电机的性能十分重要。目前车用永磁同步电机应对温度引起的力矩输出扰动，工程上一般基于MAP方法对温度数据进行标定。该方法需要基于长期经验数据，反复试凑标定。现有技术二的缺点为：电机效率MAP图，主要反映在不同的电机转速下的电机效率分布，现有的电机技术只能通过检测固定的温度点下电机的实际输出转矩，再查找供应商提供的表格上期望的输出转矩，然后调整电机的驱动电流，使输出转矩达到期望数值。这种调整方法在实际操作过程中要在不同情况下作出相应的调整，大大增加了操作程序，十分繁琐，且不能应对温度的连续变化，控制精度有限。3.现有技术三的技术方案基于控制策略对永磁同步电机的进行补偿的研究有：1)针对电压源逆变器非线性增益的基于扩展PI参考模型补偿。2)条件PID补偿：对永磁伺服电动机驱动液压源流量控制系统，设定阈值确定PID控制的触发，补偿由于温度、负载压力引起的输出量波动。3)磁场谐波抑制进行的补偿。4)基于反推自适应控制的摩擦力矩补偿。现有技术三的技术方案例如：《模型与条件PID补偿的永磁伺服电动机驱动液压源流量控制》、《基于PMSM扩展PI参考模型的VSI非线性补偿》、《永磁同步电机磁场谐波抑制的补偿控制仿真》、《基于反推自适应控制的永磁同步电机摩擦力矩补偿策略》等。现有技术三的缺点为：但对永磁同步电机的温度输出补偿很少有相关成果公开。4.现有技术四的技术方案不考虑对输出力矩、温度、谐波等扰动因素抑制或补偿的前提下，矢量控制是永磁同步电机最常见的控制器之一。矢量控制实际上就是对电动机定子的电流矢量相位与幅值的控制方法。由电机的状态方程Te＝p[λmiq+(Ld-Lq)idiq]可以看出，当电机的永磁磁链(λm)和交直流电感(Ld、Lq)确定之后，转矩就由id，iq控制。而一定的转速、转矩所对应的通过电机对于电流的控制，使实际的id和iq跟踪指令和这样就可以实现对电机转矩和转速的控制。永磁同步电机的空间矢量图如图1所示：现有技术四的缺点为：永磁同步电机的矢量控制系统有如下几个缺点：1、系统的稳定性主要取决于电力电子器件的稳定性以及控制器的稳定性。2、电机的控制系统往往十分复杂，且结构繁琐，他的控制精度取决于系统的采样精度和计算精度。3、控制系统的成本往往较高。最主要的问题是不可能考虑对温度引起的扰动，无法对其进行定量研究，更不可能对其进行有效抑制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：由于被控对象(永磁同步电机)是复杂的且具有不确定性，且对永磁同步电机的输出转矩、输出转速有较大影响。部分实验数据如图2，现阶段的研究主要专注于温度对电子绕组电阻的影响，而温度对于永磁体永磁磁链的影响则没有进行有突破现行的研究。现有对永磁同步电机温度扰动的研究，多基于有限元分析获得温度场模型。针对该模型进行温度扰动因素的补偿不易实现。本专利技术采用的技术方案为：一种基于神经网络的车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿方法，该方法包括如下步骤：步骤(1)、分析温度对车用永磁同步电机的影响，永磁体材料对温度的敏感性很大，温度的变化会对永磁体的剩磁和矫顽力产生影响，而这二者又会引起永磁体磁链的变化，同时温度的变化也会引起定子电阻的变化，由PMSM电磁转矩公式Te＝p[λmiq+(Ld-Lq)idiq]，可以看出温度的变化将影响电机输出转矩；其中id和iq是定子电流在d-q坐标系下的分量，λm是永磁体产生的磁链，P是极对数，Ld和Lq是定子绕组电感在d-q坐标系下的分量；步骤(2)、温度补偿器的结构是在经典永磁同步电机矢量控制系统的基础上，在转矩检测信号和转矩指令信号比较后，再与经由BP神经网络输出的预测转矩做比较，此BP神经网络的输入量含有温度数据，可估算不同温度下电机的输出转矩，调整控制信号，从而对电机输出转矩作出相应的补偿，算法构成上：使用的是BP神经网络模型，并使用思维进化算法(MEA)优化BP神经网络权值和阈值，此模型输入量有三个：分别是定子电流在两相旋转坐标下纵轴和横轴的电流量分量以及实时温度，使系统可以在不同的温度下调整控制量，对因温度影响下输出转矩波动作出相应补偿，程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于神经网络的车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤(1)、分析温度对车用永磁同步电机的影响，永磁体材料对温度的敏感性很大，温度的变化会对永磁体的剩磁和矫顽力产生影响，而这二者又会引起永磁体磁链的变化，同时温度的变化也会引起定子电阻的变化，由PMSM电磁转矩公式Te＝p[λmiq+(Ld‑Lq)idiq]，可以看出温度的变化将影响电机输出转矩；其中id和iq是定子电流在d‑q坐标系下的分量，λm是永磁体产生的磁链，P是极对数，Ld和Lq是定子绕组电感在d‑q坐标系下的分量；步骤(2)、温度补偿器的结构是在经典永磁同步电机矢量控制系统的基础上，在转矩检测信号和转矩指令信号比较后，再与经由BP神经网络输出的预测转矩做比较，此BP神经网络的输入量含有温度数据，可估算不同温度下电机的输出转矩，调整控制信号，从而对电机输出转矩作出相应的补偿，算法构成上：使用的是BP神经网络模型，并使用思维进化算法(MEA)优化BP神经网络权值和阈值，此模型输入量有三个：分别是定子电流在两相旋转坐标下纵轴和横轴的分量以及实时温度，使系统可以在不同的温度下调整控制量，对因温度影响下输出转矩波动作出相应补偿，程序实现上：可采用DSP、ARM或工控机等作为控制核心，在芯片上根植建模和控制程序软件；步骤(3)、永磁同步电机在d‑q坐标系下的同步旋转状态方程为：i·q=-RLqiq-LdLqidwr-λmLqwr+1Lquqw·r=3p22Jm[λmiq+(Ld-Lq)idiq]-pJmTl-BmJmwrid·=-RLdiq+LqLdiqwr+1Ldud]]>其中id和iq是定子电流在d‑q坐标系下的分量，λm是永磁体产生的磁链，P是极对数，R是定子电阻，Ld和Lq是定子绕组电感在d‑q坐标系下的分量，Jm是转动惯量，Bm是粘性摩擦系数，wr是电机转速，Tl为负载转矩；由永磁同步电机在d‑q坐标系下的同步旋转状态方程和空载状态下忽略摩擦损耗因素，电机电磁转矩公式：Te＝p[λmiq+(Ld‑Lq)idiq]，由于温度的变化会影响方程中的λm和R的值，由定子电阻随温度变化的方程：R(T)＝R0+ΔR＝R0(1+αΔT/100)，α是铜电阻随温度变化时的电阻温度系数，R0是25℃时定子电阻阻值，温度对于永磁磁链的影响则是通过使用Maxwell 2D软件仿真出不同温度下的永磁磁链的数据，对于得到λm和温度T的关系使用matlab曲线拟合工具，得到其函数表达式λm＝0.04441‑8.929×10‑5T，其中25℃≤T≤150℃，在simulink中搭建的电机模型中电阻温度方程和磁链温度方程搭建输入T输出为R和λm的子模块，模型中subsystem是根据λm＝0.04441‑8.929×10‑5T和R(T)＝R0+ΔR＝R0(1+αΔT/100)方程搭建而成，subsystem1是根据和构建而成，模型中Subsystem2是根据构建而成的，模型中Subsystem3是根据Te＝p[λmiq+(Ld‑Lq)idiq]搭建而成的，Subsystem、subsystem1、subsystem2和subsystem3的输入输出量之间是彼此耦合的，subsystem的输入量是温度T，输出量是：R和λm，subsystem1的输入量是：ud、uq、R、λm和wr，输出是：id和iq，subsystem2的输入量是：id、iq、λm和Tl，输出是：wr，subsystem3的输入量是：iq、id和λm，输出量是：Te，Subsystem的输出量是subsystem1、subsystem2和subsystem3的输入量，Subsystem1的输出是subsystem2和subsystem3的输入量，而subsystem2输出量又是subsystem1的一个输入量，子模块的输入输出量之间彼此耦合。...

【技术特征摘要】
1.一种基于神经网络的车用永磁同步电机输出转矩的温度补偿方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤(1)、分析温度对车用永磁同步电机的影响，永磁体材料对温度的敏感性很大，温度的变化会对永磁体的剩磁和矫顽力产生影响，而这二者又会引起永磁体磁链的变化，同时温度的变化也会引起定子电阻的变化，由PMSM电磁转矩公式Te＝p[λmiq+(Ld-Lq)idiq]，可以看出温度的变化将影响电机输出转矩；其中id和iq是定子电流在d-q坐标系下的分量，λm是永磁体产生的磁链，P是极对数，Ld和Lq是定子绕组电感在d-q坐标系下的分量；步骤(2)、温度补偿器的结构是在经典永磁同步电机矢量控制系统的基础上，在转矩检测信号和转矩指令信号比较后，再与经由BP神经网络输出的预测转矩做比较，此BP神经网络的输入量含有温度数据，可估算不同温度下电机的输出转矩，调整控制信号，从而对电机输出转矩作出相应的补偿，算法构成上：使用的是BP神经网络模型，并使用思维进化算法(MEA)优化BP神经网络权值和阈值，此模型输入量有三个：分别是定子电流在两相旋转坐标下纵轴和横轴的分量以及实时温度，使系统可以在不同的温度下调整控制量，对因温度影响下输出转矩波动作出相应补偿，程序实现上：可采用DSP、ARM或工控机等作为控制核心，在芯片上根植建模和控制程序软件；步骤(3)、永磁同步电机在d-q坐标系下的同步旋转状态方程为：i·q=-RLqiq-LdLqidwr-λmLqwr+1Lquqw·r=3p22Jm[λmiq+(Ld-Lq)idiq]-pJmTl-BmJmwrid·=-RLdiq+LqLdiqwr+1Ldud]]>其中id和iq是定子电流在d-q坐标系下的分量，λm是永磁体产生的磁链，P是极对数，R是定子电阻，Ld和Lq是定子绕组电感在d-q坐标系下的分量，Jm是转动惯量，Bm是粘性摩擦系数，wr是电机转速，Tl为负载转矩；由永磁同步电机在d-q坐标系下的同步旋转状态方程和空载状态下忽略摩擦损耗因素，电机电磁转矩公式：Te＝p[λmiq+(Ld-Lq)idiq]，由于温度的变化会影响方程中的λm和R的值，由定子电阻随温度变化的方程：R(T)＝R0+ΔR...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，马正雷，钱喆，王群京，李国丽，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34