CN103051275B - 电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于支持向量机逆的电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法，首先构造电动汽车感应电机原系统的内含磁链子系统，再建立内含磁链子系统的电动汽车感应电机磁链逆系统，接着采用支持向量机和微分器来构建支持向量机逆，并对支持向量机进行训练，获得支持向量机的向量系数和阈值以实现电动汽车感应电机磁链逆系统，最后将支持向量机逆串接于电动汽车感应电机原系统之后构造成磁链观测器，实现对电动汽车感应电机磁链的在线实时检测，为感应电机矢量控制提供精确的磁链信息，提高电动汽车感应电机的工作性能。

Description

电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其是有关于一种基于支持向量机逆的电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法，为电动汽车感应电机的磁链检测提供了新的辨识方法，适用于电动汽车感应电机的高性能实时控制。

背景技术

为了实现电动汽车驱动用感应电机的高性能控制，通常采用矢量控制策略，为了发挥矢量控制优良的动静态特性，必须解决电动汽车感应电机对参数的依赖问题，在诸多参数中，直接影响到矢量控制效果的则是磁链辨识环节。感应电机磁链检测可分为直接法和间接法。直接法是利用埋设在感应电机中的探测线圈来获得磁链信息，但是由于探测线圈的埋设过程存在着技术和工艺上的问题，加之受到气隙齿谐波磁场的影响，磁链测量误差较大，特别是在低速时磁链测量十分困难，因此磁链的直接检测方法已经很少采用。

间接法是利用感应电机内现有的可测物理量经过一定的运算求得磁链值，目前常见的间接法主要有：定子电压电流磁链模型法、定子电流转速磁链模型法、混合式磁链模型法、扩展Kalman滤波磁链观测模型法等。定子电压电流磁链模型法利用定子反电动势来求得定子磁链，在高速时可以获得较高的检测精度，然而在低速时容易受到电机参数偏差的影响，而且误差不收敛，零速时，由于定子电压为零，因此无法使用此方法；定子电流转速磁链模型法利用转子磁链方程建立定子电流、转速与磁链之间的关系，从而求得磁链，该方法可以克服低速时定子电压电流磁链模型法容易受参数偏差影响的不足，但是由于引入了转子电阻、定子电感及漏感等参数，使得该方法的鲁棒性有所降低；混合式磁链模型法综合了定子电压电流磁链模型法和定子电流转速磁链模型法的优点，使感应电机在高速时使用定子电压电流磁链模型法，而在低速时采用定子电流转速磁链模型法，但是由此带来了感应电机运行中模型切换的问题；扩展Kalman滤波磁链观测模型法本质上是一种全状态或降维观测模型，具有抗参数变化，以及测量噪声能力强的特点，但模型误差中的状态矩阵和电机参数有密切关系，需要设置准确的噪声矩阵。由此可见，间接法获得磁链与感应电机的参数有关，而感应电机参数又容易受到工作环境、负载变化、噪声干扰等影响，这使得精确获得感应电机磁链变得十分困难。

发明内容

本发明目的在于提供一种电动汽车感应电机磁链观测器构造方法，可在全速范围内快速准确地观测电动汽车驱动用感应电机的磁链，为感应电机矢量控制提供精确的磁链信息，提高电动汽车感应电机的工作性能。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种电动汽车感应电机磁链观测器构造方法，包括以下步骤：

1）构造电动汽车感应电机原系统的内含磁链子系统，所述电动汽车感应电机原系统的输入变量为定子电压u_α和u_β，输出变量为定子电流i_α、i_β和转速ω_r；所述内含磁链子系统的输入变量为待测磁链ψ_α和ψ_β，输出变量为感应电机定子电压u_α、u_β、定子电流i_α、i_β、转速ω_r以及定子电流的一阶导数

2）建立所述内含磁链子系统的电动汽车感应电机磁链逆系统，该电动汽车感应电机磁链逆系统的输入为所述内含磁链子系统的七个输出变量、输出为所述待测磁链ψ_α和ψ_β；

3）采用具有七个输入节点和两个输出节点的支持向量机以及两个微分器S构成支持向量机逆，该支持向量机逆的输入分别为所述电压u_α、u_β、定子电流i_α、i_β和转速ω_r，输出为所述待测磁链ψ_α和ψ_β；

4）对所述支持向量机进行训练，调整并确定支持向量机的向量系数和阈值以实现所述电动汽车感应电机磁链逆系统；

5）将所述支持向量机逆串接于所述电动汽车感应电机原系统之后构造成磁链观测器。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：

1.基于支持向量机与逆系统相结合的方法，利用支持向量机对线性和非线性函数的强大逼近能力，突破解析逆系统方法在实际应用中的瓶颈。采用支持向量机来构造内含磁链子系统的逆模型，不需要求解出内含磁链子系统的逆模型的精确解析表达式，很好地克服了传统解析逆系统方法对数学模型的强依赖性，有利于工程实现。

2.依据本发明的电动汽车感应电机磁链观测器所需要的输入信号均是实际工程中易于直接测得的变量，支持向量机逆算法本身可以通过软件编程实现，采用本发明的磁链观测器，省略了磁链直接检测法中利用的探测线圈，且不需要对电动汽车感应电机本体进行任何其它改动，易于在工程上实现，并且实现费用低，安全可靠。

附图说明

图1为本发明较优实施例的由电动汽车感应电机原系统构造内含磁链子系统的示意图。

图2为由图1实施例电动汽车感应电机原系统的感应电机磁链逆系统构成原理图。

图3为支持向量机逆的构成示意图。

图4为图3支持向量机逆与电动汽车感应电机原系统构造观测器的示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1至图4所示，根据本发明的较优实施例，总体来说，基于支持向量机逆的电动汽车感应电机磁链观测器，通过如下的方法来构造：

首先基于电动汽车感应电机原系统11的数学模型建立内含磁链子系统12的数学模型，该内含磁链子系统12的输入量与输出量之间满足电动汽车感应电机原系统11数学模型所确定的变量约束关系；

接着建立内含磁链子系统12的逆模型，即电动汽车感应电机磁链逆系统22；

再采用支持向量机31和两个微分器S构成具有五个输入节点、两个输出节点的内含磁链子系统12的支持向量机逆32，支持向量机31具有七个输入节点和两个输出节点；

再通过调整支持向量机31的向量系数和阈值，使支持向量机逆32实现电动汽车感应电机磁链逆系统22的功能；

最后将支持向量机逆32串接于电动汽车感应电机原系统11之后构造成磁链观测器，即可实现对电动汽车感应电机磁链的实时检测。

下面将结合图1至图4详细说明本发明较优实施例的基于支持向量机逆的电动汽车感应电机磁链观测器的构造原理和方式。

步骤1：构造电动汽车感应电机原系统的内含磁链子系统

参考图1，电动汽车感应电机原系统11的两个输入变量为定子电压u_α和u_β，三个输出变量为定子电流i_α、i_β和转速ω_r。内含磁链子系统12的两个输入变量为待测磁链ψ_α和ψ_β，七个输出变量为感应电机的可测变量定子电压u_α、u_β、定子电流i_α、i_β、转速ω_r以及可测变量定子电流的一阶导数

对电动汽车感应电机原系统11构造内含磁链子系统12的数学模型，电动汽车感应电机原系统11在两相静止α-β坐标系下的数学模型为：

${\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\α}}=-(\frac{L_m^2{R}_r}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2}+\frac{R_s}{{\mathrm{\σL}}_s})i_{\mathrm{\α}}\frac{L_m{R}_r}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r^2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}+\frac{n_p{\mathrm{\ω}}_r{L}_m}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}+\frac{u_{\mathrm{\α}}}{{\mathrm{\σL}}_s}---(1-1)$

${\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\β}}=-(\frac{L_m^2{R}_r}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2}+\frac{R_s}{{\mathrm{\σL}}_s})i_{\mathrm{\β}}-\frac{n_p{\mathrm{\ω}}_r{L}_m}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}+\frac{L_m{R}_r}{{\mathrm{\σL}}_s{L}_r^2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}+\frac{u_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σL}}_s}---(1-2)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}=\frac{L_m{R}_r}{L_r}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{R_r}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}-n_p{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}---(1-3)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}=\frac{L_m{R}_r}{L_r}{i}_{\mathrm{\β}}+n_p{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}-\frac{R_r}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}---(1-4)$

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{n_p{L}_m}{{\mathrm{JL}}_r}(i_{\mathrm{\β}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}})-\frac{T_l}{J}---(1-5)$

式中，L_m、L_r、L_s、R_r、R_s、n_p分别为感应电机的互感、转子和定子自感、转子和定子电阻和极对数；ψ_α、ψ_β、i_α、u_α、u_α、u_β分别为α轴和β轴定子磁链、α轴和β轴定子电流、α轴和β轴定子电压；J、ω_r分别为转动惯量、转速；σ=(L_sL_r-L_m ²)/L_sL_r为漏感系数；T_l为负载转矩。

这样，式（1-1）~（1-5）所示的数学模型中存在内含磁链子系统12：内含磁链子系统12的输入是待测磁链ψ_α和ψ_β，输出是直接可测变量定子电压u_α、u_β、定子电流i_α、i_β、转速ω_r以及可测变量定子电流i_α、i_β的一阶导数

依据上述内含磁链子系统12的数学模型的构造方法，选取式（1-1）和式（1-2）构建内含磁链子系统12的数学模型。

步骤2：建立内含磁链子系统的逆模型，即电动汽车感应电机磁链逆系统

参考图2，为了检测待测变量ψ_β和ψ_β，在内含磁链子系统12可逆条件成立时，将一个电动汽车感应电机磁链逆系统22串接在该内含磁链子系统12之后，可确定电动汽车感应电机磁链逆系统22的七个输入是电动汽车感应电机的定子电压u_α和u_β，定子电流i_α、i_β，转速ω_r以及定子电流的一阶导数两个输出是磁链ψ_α和ψ_β，即可得到恒等表达式，这样电动汽车感应电机磁链逆系统22的输入能够完全复制该内含磁链子系统12的输出。

根据反函数存在定理，可以用常规的证明方法证明式（1-1）和式（1-2）所表示的内含磁链子系统12是可逆的，且内含磁链子系统12的电动汽车感应电机磁链逆系统22的模型可用如下的非线性函数表示：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{\σR}}_r{L}_m{L}_s{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\α}}+\frac{R_r{L}_m(L_m^2{R}_r+R_s{L}_r^2)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{R_r{L}_m{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\α}}$ （2-1）

$-\frac{n_p{L}_m{\mathrm{\σL}}_s{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\β}}-\frac{n_p{L}_m{L}_r{\mathrm{\ω}}_r(L_m^2{R}_r+L_r^2{R}_s)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\β}}+\frac{n_p{L}_m{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\β}}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{n_p{L}_m\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\α}}+\frac{n_p{L}_m{L}_r{\mathrm{\ω}}_r(L_m^2{R}_r+L_r^2{R}_s)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{n_p{L}_m{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\α}}$ （2-2）

$+\frac{{\mathrm{\σR}}_r{L}_m{L}_s{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\β}}+\frac{R_r{L}_m(L_m^2{R}_r+L_r^2{R}_s)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\β}}-\frac{R_r{L}_m{L}_r^3}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\β}}$

需要说明的是，式（2-1）与（2-2）非线性函数的求解可以跳过，此两式仅仅是为了支持向量机逆32的构造与学习训练提供方法上的根据，从而可以构造出如图3所示的支持向量机逆32。

步骤3：采用支持向量机和微分器来构造支持向量机逆

参见图3，采用支持向量机31和两个微分器S构成具有五个输入节点、两个输出节点的支持向量机逆32。支持向量机31具有七个输入节点、两个输出节点。

支持向量机逆32的五个输入分别是电动汽车感应电机的定子电压u_α、u_β，定子电流i_α、i_β和转速ω_r，两个输出为待测磁链ψ_α和ψ_β。选取高斯核函数为支持向量机31的核函数，支持向量机31的向量系数和阈值将在下一步训练中确定。

支持向量机31的第一个输入是支持向量机逆32的第一个输入，即电动汽车感应电机的定子电压u_α；支持向量机31的第二个输入是支持向量机逆32的第二个输入，即电动汽车感应电机的定子电压u_β；支持向量机31的第三个输入是支持向量机逆32的第三个输入，即定子电流i_α，其经第一微分器S的输出为支持向量机31的第四个输入；支持向量机31的第五个输入是支持向量机逆32的第四个输入，即定子电流i_β，其经第二微分器S的输出为支持向量机31的第六个输入；支持向量机31的第七个输入是支持向量机逆32的第五个输入，即转速ω_r。支持向量机31与两个微分器S一起组成支持向量机逆32，支持向量机31的输出就是支持向量机逆32的输出，即磁链ψ_α和ψ_β。

步骤4：调整并获取支持向量机的向量系数和阈值

先将定子电压u_α、u_β加在电动汽车感应电机原系统11的输入端，采集定子电流i_α、i_β、转速ω_r，以及磁链ψ_α、ψ_β；再分别将定子电流i_α、i_β离线求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支持向量机的训练样本集最后，选取合适的正则化参数及核宽度，离线调整支持向量机的向量系数和阈值，使支持向量机逆32实现电动汽车感应电机磁链逆系统22的功能。

步骤5：将支持向量机逆串接于电动汽车感应电机原系统之后构造磁链观测器

参考图4，将支持向量机逆32串接于电动汽车感应电机原系统11之后，即构造成磁链观测器，实现对电动汽车感应电机磁链的在线实时检测。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构造电动汽车感应电机原系统的内含磁链子系统，所述电动汽车感应电机原系统的输入变量为定子电压u_α和u_β，输出变量为定子电流i_α、i_β和转速ω_r；所述内含磁链子系统的输入变量为待测磁链ψ_α和ψ_β，输出变量为感应电机定子电压u_α、u_β、定子电流i_α、i_β、转速ω_r以及定子电流的一阶导数

2)建立所述内含磁链子系统的电动汽车感应电机磁链逆系统，该电动汽车感应电机磁链逆系统的输入为所述内含磁链子系统的七个输出变量，输出为所述待测磁链ψ_α和ψ_β；所述内含磁链子系统的电动汽车感应电机磁链逆系统的模型用如下的非线性函数表示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\σ}{R}_r{L}_m{L}_s{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{.}{i}}_{\mathrm{\α}}+\frac{R_r{L}_m(L_m^2{R}_r+R_s{L}_r^2)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{R_r{L}_m{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\α}}\\ -\frac{n_p{L}_m\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{.}{i}}_{\mathrm{\β}}-\frac{n_p{L}_m{L}_r{\mathrm{\ω}}_r(L_m^2{R}_r+L_r^2{R}_s)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\β}}+\frac{n_p{L}_m{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\β}}\end{array}---(2-1)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{n_p{L}_m\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{.}{i}}_{\mathrm{\α}}+\frac{n_p{L}_m{L}_r{\mathrm{\ω}}_r(L_m^2{R}_r+L_r^2{R}_s)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{n_p{L}_m{L}_r^3{\mathrm{\ω}}_r}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\α}}\\ +\frac{\mathrm{\σ}{R}_r{L}_m{L}_s{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{\stackrel{.}{i}}_{\mathrm{\β}}+\frac{R_r{L}_m(L_m^2{R}_r+L_r^2{R}_s)}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{i}_{\mathrm{\β}}-\frac{R_r{L}_m{L}_r^2}{R_r^2{L}_m^2+n_p^2{L}_m^2{L}_r^2{\mathrm{\ω}}_r^2}{u}_{\mathrm{\β}}\end{array}---(2-2)$

式中，L_m、L_r、L_s、R_r、R_s、n_p分别为感应电机的互感、转子和定子自感、转子和定子电阻和极对数；ψ_α、ψ_β、i_α、i_β、u_α、u_β分别为α轴和β轴定子磁链、α轴和β轴定子电流、α轴和β轴定子电压；J、ω_r分别为转动惯量、转速；σ＝(L_sL_r-L_m ²)/L_sL_r为漏感系数；T^l为负载转矩；

3)采用支持向量机和第一、第二微分器来构建支持向量机逆，该支持向量机逆的输入变量分别为所述定子电压u_α、u_β、定子电流i_α、i_β和转速ω_r，输出变量为所述待测磁链ψ_α和ψ_β；

4)对所述支持向量机进行训练，获得所述支持向量机的向量系数和阈值以实现所述电动汽车感应电机磁链逆系统；

5)将所述支持向量机逆串接于所述电动汽车感应电机原系统之后构造成磁链观测器。

2.如权利要求1所述的电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法，其特征在于，步骤3)中，所述支持向量机的第一、第二和第三输入变量分别为所述支持向量机逆的输入变量中的定子电压u_α、u_β和定子电流i_α，第四输入变量为所述定子电流i_α经过所述第一微分器的输出，第五输入变量为所述支持向量机逆的输入变量中的定子电流i_α，第六输入变量为所述定子电流i_α经过所述第二微分器的输出；第七输入变量为所述支持向量机逆的输入变量中的转速ω_r；所述支持向量机的输出变量为所述待测磁链ψ_α和ψ_β。

3.如权利要求1所述的电动汽车感应电机磁链观测器的构造方法，其特征在于，步骤4)中，所述支持向量机的向量系数和阈值的确定方法为：先将定子电压u_α、u_β加在所述电动汽车感应电机原系统的输入端，采集定子电流i_α、i_β、转速ω_r，以及磁链ψ_α、ψ_β；再分别将定子电流i_α、i_β离线求其一阶导数，组成支持向量机的训练样本集；并选取高斯核函数作为支持向量机的核函数，选取合适的正则化参数及核宽度，对支持向量机进行训练，从而确定支持向量机的向量系数和阈值。