CN104716887A - 一种永磁同步电机失磁保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种永磁同步电机失磁保护方法，该方法包括：利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测；判断所述磁链幅值的大小，当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值，若是，则通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿；按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。首先利用自适应神经网络算法监测出永磁体磁链值幅值；然后通过结合定子电流大小判断永磁体当前状态是否处于失磁状态；最后采用基于模糊控制的电流补偿策略，使得定子电流大小控制在合理范围内，该方法能有效解决永磁体失磁问题，使得当永磁体失磁后永磁同步电机控制系统能继续稳定可靠运行。

Description

一种永磁同步电机失磁保护方法及系统

技术领域

本申请涉及永磁同步电机领域，特别涉及一种永磁同步电机失磁保护方法及系统。

背景技术

随着技术的发展，人们对永磁同步电机失磁保护的要求越来越高。

永磁同步电机中的永磁体失磁后，其性能就会出现很明显的下降，电流增大再有出力不足，甚至导致电机不能驱动负载以致烧坏电机。为保证在永磁体失磁后对电机进行控制，且防止电机失磁造成的系统不稳定和电机不可控的情况出现，现有方案中虽然可以防止电机失磁造成的电机失磁造成的系统不稳定和电机不可控的情况，但不能完全满足实时响应磁链变化、减少转矩脉动的目的。

因此，如何有效的进行永磁同步电机失磁保护，使永磁同步电机控制系统能够稳定可靠的运行是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机失磁保护方法及系统，解决了现有技术中不能完全满足实时响应磁链变化、减少转矩脉动的问题。

其具体方案如下：

一种永磁同步电机失磁保护方法，该方法包括：

利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测；

判断所述磁链幅值的大小，当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值，若是，则通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿；

按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。

上述的方法，优选的，所述利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测，包括：

在考虑逆变器非线性因数的情况下，计算永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散方程；

根据所述离散方程和自适应原理，计算所述永磁体磁链幅值。

上述的方法，优选的，所述通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿，包括：

对交轴电流反馈值和其与预设值之间的差值进行模糊判断，得到所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值；

所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值分别与对应的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值进行求和运算，得到满足预设正常状态的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值。

上述的方法，优选的，还包括：

根据电流控制信号对永磁同步电机进行供电。

一种永磁同步电机失磁保护系统，该系统包括：

监测单元，用于利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测；

第一判断单元，用于判断所述磁链幅值的大小；

第二判断单元，用于当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值；

补偿单元，用于当定子电流的幅值超出逆变器最大允许输出值时，通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿；

控制单元，用于按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。

上述的系统，优选的，所述监测单元，包括：

第一计算单元，用于在考虑逆变器非线性因数的情况下，计算永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散方程；

第二计算单元，用于根据所述离散方程和自适应原理，计算所述永磁体磁链幅值。

上述的系统，优选的，所述补偿单元，包括：

模糊判断单元，用于对交轴电流反馈值和其与预设值之间的差值进行模糊判断，得到所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值；

求和单元，用于所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值分别与对应的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值进行求和运算，得到满足预设正常状态的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值。

上述的系统，优选的，还包括：

供电单元，用于根据电流控制信号对永磁同步电机进行供电。

本申请提供的一种永磁同步电机失磁保护方法中，包括：利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测；判断所述磁链幅值的大小，当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值，若是，则通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿；按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。本发明首先利用自适应神经网络算法监测出永磁体磁链值幅值，由于该算法在准确估算永磁体磁链时具有一定的优势，因此对判断永磁体是否失磁具有很大的帮助；然后通过结合定子电流大小判断永磁体当前状态是否处于失磁状态；最后采用基于模糊控制的电流补偿策略，使得定子电流大小控制在合理范围内，该方法能有效解决永磁体失磁问题，使得当永磁体失磁后永磁同步电机控制系统能继续稳定可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一种永磁同步电机失磁保护方法实施例的流程图；

图2示出了自适应(ANN)神经网络的基本结构图；

图3示出了基于模糊控制的电流补偿结构图；

图4示出了本申请一种永磁同步电机失磁保护系统实施例的结构示意图；

图5示出了本申请一种永磁同步电机失磁保护系统实际结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参考图1，示出了本申请一种永磁同步电机失磁保护方法实施例的流程图，可以包括以下步骤：

步骤S101：利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测。

步骤S102：判断所述磁链幅值的大小，当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值，若是，则通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿。

步骤S103：按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。

本申请提供的一种永磁同步电机失磁保护方法中，首先利用自适应神经网络算法监测出永磁体磁链值幅值，由于该算法在准确估算永磁体磁链时具有一定的优势，因此对判断永磁体是否失磁具有很大的帮助；然后通过结合定子电流大小判断永磁体当前状态是否处于失磁状态；最后采用基于模糊控制的电流补偿策略，使得定子电流大小控制在合理范围内，该方法能有效解决永磁体失磁问题，使得当永磁体失磁后永磁同步电机控制系统能继续稳定可靠运行。

本申请中，所述利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测，包括：

在考虑逆变器非线性因数的情况下，计算永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散方程。

根据所述离散方程和自适应原理，计算所述永磁体磁链幅值。

自适应神经网络是处理高度不确定性、非线性和复杂性系统的一种非常有效的方法，图2示出了自适应(ANN)神经网络的基本结构图。

自适应神经网络的输出激励函数：

$O(W_i,X_i)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{X}_i---\left(1\right)$

式中：W_i为神经网络的权值；X_i为网络输入信号；O(W_i,X_i)为网络的输出激励函数，在数学表达形式上可知其是一个线性函数。若d(k)是实际参考模型目标输出，η是权值的收敛速度因子，则对应的基于最小均方算法的权值调整算法为：

W_i(k+1)＝W_i(k)+2ηX_i[d(k)-O]   (2)

在实际应用过程中，永磁同步电机数学模型的构建需要综合考虑逆变器非线性因数，当考虑逆变器非线性因数时，永磁同步电机在旋转dq坐标系下离散方程为：

u_d(k₁)＝Ri_d(k₁)+L_qω(k₁)i_q(k₁)-V_dead1Dd₁(k₁)   (3a)

u_q(k₁)＝Ri_q(k₁)+L_dω(k₁)i_d(k₁)+ψ_f1ω(k₁)-V_dead1Dq₁(k₁)   (3b)

u_d(k₂)＝Ri_d(k₂)+L_qω(k₂)i_q(k₂)-V_dead2Dd₂(k₂)   (3c)

u_q(k₂)＝Ri_q(k₂)+L_dω(k₂)i_d(k₂)+ψ_f2ω(k₂)-V_dead2Dq₂(k₂)   (3d)

又 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Dd}\left(k\right)=\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{as}}\right)+\cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{bs}}\right)+\cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{cs}}\right)\\ \mathrm{Dq}\left(k\right)=-\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{as}}\right)-\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{bs}}\right)-\cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{cs}}\right)\end{array}\right.,$ 其中函数sign(i)定义为： $\mathrm{sign}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}1,i\&GreaterEqual;0\\ -1,i<0\end{array}\right..$

其中，下标“1”和“2”为i_d＜0时任意两个采样时间点的电机参数和采样信号； $V_{\mathrm{dead}1}=V_{\mathrm{dead}2}=V_{\mathrm{dead}}=\frac{1}{6}(\frac{T_{\mathrm{off}}-T_{\mathrm{on}}-T_d}{T_s}{V}_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{ce}0}-V_{d0})$ 中V_ce0为IGBT的动态电压降，V_d0为续流二极管的动态电压降，T_on、T_off分别为开和关延迟时间，T_d死区延迟时间。

通过方程((3a)—(3d))和自适应原理，可以得出：

其中，是所监测的转子永磁磁链幅值，因此可得到的自适应控制器：

永磁同步电机机械转矩和电磁转矩方程如下：

$J\frac{d{\mathrm{\&omega;}}_r}{\mathrm{dt}}=T_e-\mathrm{\&Omega;}{\mathrm{\&omega;}}_r-T_m---\left(6a\right)$

T_e＝1.5p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]   (6b)

其中，i_d，i_q为dq轴定子电流；ω_r为转子转速；L_d，L_q和ψ_f分别为dq轴电感和永磁体磁势；J和Ω分别为转动惯量和阻尼系数；p为极对数；T_m和T_e分别为负载转矩和电磁转矩。

如式(6b)所示，当永磁体失磁(即ψ_f减小)时，会导致电流增大(即i_d和i_q增大)。如(6a)所示，同时导致出力不足(即T_e减小)，严重时会导致电机不能驱动负载(即ω_r减小甚至为0)而烧毁电机。

本发明的失磁判断标准是当实时检测到永磁体失磁(即ψ_f减小)时，判断电流幅值是否超出逆变器最大允许输出值，即IGBT和永磁同步电机的限定值，若超过限定值，则判断为永磁体失磁，否则永磁体正常，公式表示如下：

提出了一种基于自适应神经网络的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法，通过选择磁场同步旋转坐标系下定子电流和永磁体磁链为状态变量，构建估算转子永磁体磁链幅值的自适应监测控制器。该方法能准确跟踪永磁体真实情况，通过采用自适应控制方法对永磁同步电机永磁磁链进行实时监测，能为永磁体同步电机控制系统实时提供准确的转子磁链信息，可以准确有效的判断出电机是否失磁，防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度，提高系统可靠性。

本申请中，所述通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿，包括：

对交轴电流反馈值和其与预设值之间的差值进行模糊判断，得到所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值。

所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值分别与对应的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值进行求和运算，得到满足预设正常状态的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值。

当永磁同步电机永磁体出现很少部分或部分失磁时，永磁同步电机正处于运行状态，此时应对整个控制系统进行失磁保护控制，本发明采用的控制策略是基于模糊控制的电流补偿控制策略，通过对交轴电流反馈值i_q和其与给定值之间的差值Δi_q进行模糊判断，得出交轴电流和直轴电流的补偿值和并将补偿值作用于交轴电流和直轴电流的反馈值上，使得交轴电流和直轴电流反馈值回归到正常状态，其控制框图如图3所示

在模糊逻辑算法中，由于一直为正且不为0，其模糊变量值为{PS，PM，PB}，交轴电流的反馈分量的模糊变量值为{NB，NS，ZO，PS，PB}；由于当永磁体失磁后，必定需要对交轴电流和直轴电流的反馈值进行补偿，因此模糊控制器输出的补偿值的模糊变量值为{PVS，PS，PM，PB，PVB}。模糊控制的规则采用基于模糊关系R的合成推理法，模糊控制的判决采用加权平均法，该方法根据实际情况的不同取不同的系数。

本申请中，还包括：

根据电流控制信号对永磁同步电机进行供电，以保证永磁同步电机正常、稳定的运行。

与上述本申请一种永磁同步电机失磁保护方法实施例所提供的方法相对应，参见图4，本申请还提供了一种永磁同步电机失磁保护系统实施例，在本实施例中，该系统包括：

监测单元401，用于利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测。

第一判断单元402，用于判断所述磁链幅值的大小。

第二判断单元403，用于当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值。

补偿单元404，用于当定子电流的幅值超出逆变器最大允许输出值时，通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿。

控制单元405，用于按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。

本申请中，所述监测单元，包括：

第一计算单元，用于在考虑逆变器非线性因数的情况下，计算永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散方程；

第二计算单元，用于根据所述离散方程和自适应原理，计算所述永磁体磁链幅值。

本申请中，所述补偿单元，包括：

模糊判断单元，用于对交轴电流反馈值和其与预设值之间的差值进行模糊判断，得到所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值；

求和单元，用于所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值分别与对应的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值进行求和运算，得到满足预设正常状态的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值。

本申请中，还包括：

供电单元，用于根据电流控制信号对永磁同步电机进行供电。

在具体实现过程中，图5示出了本申请一种永磁同步电机失磁保护系统实际结构示意图，整体结构包括PI调节器模块(电流控制器、速度控制器)、坐标矢量变换模块(dq/αβ、abc/αβ和αβ/dq)、SVPWM模块、PMSM模块、MTPA或弱磁控制模块、位置/速度传感器模块和新增的基于ANN的失磁监测模型、失磁判断模块、电流修正模型。该系统中当电流环反馈到ANN失磁检测模型时，通过对永磁体幅值进行实时监测，再通过失磁判断模块进行判断，如果计算出的电流值小于或等于逆变器允许输出的最大值，则反馈回来进行MTPA或弱磁控制；如果计算出的电流值大于逆变器允许输出的最大值，则通过模糊控制电流补偿模型进行电流补偿，再反馈到主电路中。通过此方法可以准确的检测永磁体是否失磁，并有效的对失磁后的驱动系统进行电流补偿，起到很好的保护作用。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上对本申请所提供的一种永磁同步电机失磁保护方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机失磁保护方法，其特征在于，该方法包括：

利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测；

判断所述磁链幅值的大小，当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值，若是，则通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿；

按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测，包括：

在考虑逆变器非线性因数的情况下，计算永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散方程；

根据所述离散方程和自适应原理，计算所述永磁体磁链幅值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿，包括：

对交轴电流反馈值和其与预设值之间的差值进行模糊判断，得到所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值；

所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值分别与对应的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值进行求和运算，得到满足预设正常状态的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据电流控制信号对永磁同步电机进行供电。

5.一种永磁同步电机失磁保护系统，其特征在于，该系统包括：

监测单元，用于利用自适应神经网络算法对永磁体磁链幅值进行监测；

第一判断单元，用于判断所述磁链幅值的大小；

第二判断单元，用于当所述磁链的幅值减小时，利用预设失磁判断标准，判断定子电流的幅值是否超出逆变器最大允许输出值；

补偿单元，用于当定子电流的幅值超出逆变器最大允许输出值时，通过模糊控制电流补偿方法进行所述定子电流的补偿；

控制单元，用于按照预设方法进行最大转矩电流比控制和弱磁控制。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述监测单元，包括：

第一计算单元，用于在考虑逆变器非线性因数的情况下，计算永磁同步电机在旋转dq坐标系下的离散方程；

第二计算单元，用于根据所述离散方程和自适应原理，计算所述永磁体磁链幅值。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述补偿单元，包括：

模糊判断单元，用于对交轴电流反馈值和其与预设值之间的差值进行模糊判断，得到所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值；

求和单元，用于所述交轴电流的补偿值和直轴电流的补偿值分别与对应的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值进行求和运算，得到满足预设正常状态的所述交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

供电单元，用于根据电流控制信号对永磁同步电机进行供电。