CN105811830A - 基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法，本方法搭建由上位机、d轴电流估算模型、q轴电流估算模型和转矩估算模型构成的测试台架，分别设定各估算模型的输入输出参数；上位机设定电机自动运行工况并采集所需数据；对于每个电机转速点，d轴电压和q轴电流每个扫描点都存在一个d轴电流，分别建立d轴电流估算二阶模型、q轴电流估算二阶模型和转矩估算二阶模型，并采用二次方程式拟合，拟合得到的d轴电流、q轴电流和输出转矩作为永磁同步电机模型的特征参数推导建模。本方法采用试验测试数据，基于统计和数值优化建立电机模型，解决公式建模中模型不精确问题，使电机模型精确度在5%误差以内，更好的进行系统级分析。

Description

基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法。

背景技术

通常嵌入式永磁同步电机建模系统包含两大部分：电气子系统和机械子系统。电气子系统根据如下公式建模：

电机ABC三相电压转换为d轴电压和q轴电压，如公式（1）和（2）：

（1）

（2）

d轴电压和q轴电压转换为d轴电流和q轴电流，如公式（3）和（4）：

（3）

（4）

d轴电流和q轴电流转换为电机ABC三相电流，如公式（5）、（6）和（7）：

（5）

（6）

（7）

电机输出转矩产生，如公式（8）：

（8）

上列各项公式中，表示q轴电压，表示d轴电压，表示ab相线电压，表示bc相线电压，表示合成电压矢量与d轴夹角，表示q轴电流，表示d轴电流，表示电机电气角速度，表示d轴电感，表示q轴电感，表示转子磁链，表示定子绕组电阻，表示离散系统积分，表示a相电流，表示b相电流，表示c相电流，表示电机输出转矩，表示电机极对数。

实际嵌入式永磁同步电机，其随着输入电流变化，电机参数dq轴电感、，定子绕组电阻均会发生变化，且这些变化与输入电流呈非线性关系，而式（3）和式（4）推导得出的、与电机参数、、有关，因此对于单一给定电机参数，无法得到准确的、，使得由式（5）、式（6）、式（7）以及式（8）的推导建模存在一定的误差，从而无法得到与实际系统精确度较高的电机模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法，本方法克服传统电机建模的缺陷，采用试验测试数据，并且基于统计和数值优化建立电机模型，避免公式建模中因电机参数变化而导致的模型不精确问题，从而使电机模型的精确度在5%误差以内，更好的进行系统级分析。

为解决上述技术问题，本发明基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法包括如下步骤：

步骤一、搭建电机系统测试台架，测试台架包括上位机及电机电气子系统，电机电气子系统由d轴电流估算模型、q轴电流估算模型和转矩估算模型构成，d轴电流估算模型输入d轴电压、q轴电流和电机转速，得到d轴电流；q轴电流估算模型输入d轴电流、q轴电压和电机转速，得到q轴电流；转矩估算模型输入d轴电流、q轴电流和电机转速，得到电机输出转矩；

步骤二、d轴电流估算模型中将电机转速设置为全局输入，d轴电压和q轴电流设置为局部输入；q轴电流估算模型中将q轴电压和d轴电流设置为局部输入，电机转速设置为全局输入；转矩估算模型中将d轴电流、q轴电流设置为局部输入，电机转速设置为全局输入

步骤三、上位机设定电机自动运行工况并采集所需数据，采集数据包括电机转速、电气角速度、d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压、合成电压矢量vdq和输出转矩；

步骤四、对于每个电机转速点，d轴电压和q轴电流每个扫描点都存在一个d轴电流，分别建立d轴电流估算二阶模型、q轴电流估算二阶模型和转矩估算二阶模型，并采用二次方程式拟合，二次方程式为式（9）：

（9）

其中：表示二阶模型输出，表示二阶模型局部输入，表示随全局输入变量变化的全局参数；

步骤五、在d轴电流估算模型中，表示d轴电流，表示d轴电压和q轴电流；在q轴电流估算模型中，表示q轴电流，表示q轴电压和d轴电流；在转矩估算模型中，表示输出转矩，表示q轴电流和d轴电流；上述三个模型中，全局参数均是电机转速；

步骤六、将d轴电流、q轴电流和输出转矩作为永磁同步电机模型的特征参数推导建模。

由于本发明基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法采用了上述技术方案，即本方法搭建由上位机、d轴电流估算模型、q轴电流估算模型和转矩估算模型构成的测试台架，分别设定各估算模型的输入输出参数；上位机设定电机自动运行工况并采集所需数据；对于每个电机转速点，d轴电压和q轴电流每个扫描点都存在一个d轴电流，分别建立d轴电流估算二阶模型、q轴电流估算二阶模型和转矩估算二阶模型，并采用二次方程式拟合，拟合得到的d轴电流、q轴电流和输出转矩作为永磁同步电机模型的特征参数推导建模。本方法采用试验测试数据，并且基于统计和数值优化建立电机模型，避免公式建模中因电机参数变化而导致的模型不精确问题，从而使电机模型的精确度在5%误差以内，更好的进行系统级分析。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法中电机电气子系统示意图。

具体实施方式

本发明基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法包括如下步骤：

步骤一、搭建电机系统测试台架，测试台架包括上位机及电机电气子系统，如图1所示，电机电气子系统由d轴电流估算模型1、q轴电流估算模型2和转矩估算模型3构成，d轴电流估算模型1输入d轴电压、q轴电流和电机转速，得到d轴电流；q轴电流估算模型2输入d轴电流、q轴电压和电机转速，得到q轴电流；转矩估算模型3输入d轴电流、q轴电流和电机转速，得到电机输出转矩；

步骤二、d轴电流估算模型中将电机转速设置为全局输入，d轴电压和q轴电流设置为局部输入；q轴电流估算模型中将q轴电压和d轴电流设置为局部输入，电机转速设置为全局输入；转矩估算模型中将d轴电流、q轴电流设置为局部输入，电机转速设置为全局输入

步骤三、上位机设定电机自动运行工况并采集所需数据，采集数据包括电机转速、电气角速度、d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压、合成电压矢量vdq和输出转矩；

步骤四、对于每个电机转速点，d轴电压和q轴电流每个扫描点都存在一个d轴电流，分别建立d轴电流估算二阶模型、q轴电流估算二阶模型和转矩估算二阶模型，并采用二次方程式拟合，二次方程式为式（9）：

（9）

其中：表示二阶模型输出，表示二阶模型局部输入，表示随全局输入变量变化的全局参数；

步骤五、在d轴电流估算模型中，表示d轴电流，表示d轴电压和q轴电流；在q轴电流估算模型中，表示q轴电流，表示q轴电压和d轴电流；在转矩估算模型中，表示输出转矩，表示q轴电流和d轴电流；上述三个模型中，全局参数均是电机转速；

步骤六、将d轴电流、q轴电流和输出转矩作为永磁同步电机模型的特征参数推导建模。

本建模方法通过上位机设定电机自动运行工况并采集所需数据，对采集的数据进行统计并作数值优化，进而通过实验得到电机电气子系统的d轴电流、q轴电流和输出转矩，并据此作出电机电气子系统的模型；采用本建模方法得到的电机模型精度可利用均方根误差进行检验，均方根误差表示样本的离散程度，是用来比较实际测量值与模型预测值之间的偏差，描述所构建的模型质量。本方法建立的电机电气子系统模型均方根误差如下表：

由上表所列均方根误差可知，对于所使用的二阶模型建立的电机电气子系统满足精度要求。

表二所示为在相同工况下，实测数据与模型仿真数据的对比，

从表中的台架实测输出转矩和模型仿真输出转矩可看出，实测数据与模型仿真输出误差小于5%，因此本建模方法完全可应用于电机控制系统级仿真或新能源汽车系统级仿真，提高开发速度，节约研发成本。

Claims (1)

1.一种基于数据统计和数值优化的永磁同步电机模型建模方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、搭建电机系统测试台架，测试台架包括上位机及电机电气子系统，电机电气子系统由d轴电流估算模型、q轴电流估算模型和转矩估算模型构成：d轴电流估算模型为输入d轴电压、q轴电流和电机转速，得到d轴电流；q轴电流估算模型为输入d轴电流、q轴电压和电机转速，得到q轴电流；转矩估算模型为输入d轴电流、q轴电流和电机转速，得到电机输出转矩；

步骤二、d轴电流估算模型中将电机转速设置为全局输入，d轴电压和q轴电流设置为局部输入；q轴电流估算模型中将q轴电压和d轴电流设置为局部输入，电机转速设置为全局输入；转矩估算模型中将d轴电流、q轴电流设置为局部输入，电机转速设置为全局输入

步骤三、上位机设定电机自动运行工况并采集所需数据，采集数据包括电机转速、电气角速度、d轴电流、q轴电流、d轴电压、q轴电压、合成电压矢量vdq和输出转矩；

步骤四、对于每个电机转速点，d轴电压和q轴电流每个扫描点都存在一个d轴电流，分别建立d轴电流估算二阶模型、q轴电流估算二阶模型和转矩估算二阶模型，并采用二次方程式拟合，二次方程式为式（9）：

（9）

其中：表示二阶模型输出，表示二阶模型局部输入，表示随全局输入变量变化的全局参数；

步骤五、在d轴电流估算模型中，表示d轴电流，表示d轴电压和q轴电流；在q轴电流估算模型中，表示q轴电流，表示q轴电压和d轴电流；在转矩估算模型中，表示输出转矩，表示q轴电流和d轴电流；上述三个模型中，全局参数均是电机转速；

步骤六、将d轴电流、q轴电流和输出转矩作为永磁同步电机模型的特征参数推导建模。