CN111510041B - 一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统 - Google Patents

一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统。本发明利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链，基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程，对不可测参数永磁体磁链进行精确评估的同时，将不可测参数永磁体磁链融入到永磁同步电机的状态观测方程中，从而提高永磁同步电机的运行状态的评估精度。

Description

一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统
技术领域
本发明涉及工程技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统。
背景技术
为进一步对工业设备以及军事装备的可靠性和其他关键指标进行全面监控，大量的工程技术人员侧重于研究设备运行过程中变量的变化规律和系统的运行状态。随着传感器技术的飞速发展，对设备运行过程中的大量参数的测量成为了可能。然而，针对一些特殊环境条件下或特定设备时，现有的传感器仍然不能满足对这些参数的测量。在系统实际运行过程中，这些参数的变化会直接或间接影响到系统正常工作和产品的最终质量，因此需要设计一种方法对这些参数进行辨识估计，作为评估系统运行状态的一个重要依据。
由于不同设备的模型和工作原理不同，对其不可测参数的观测和辨识估计方法也不相同。实际上，各种对设备不可测参数观测和辨识估计方法的基本思想都大致相同，都是通过对可测的输入和输出之间的关系建立模型模拟未知参数在系统中的变化规律，其本质上大多是黑箱建模。
以三相永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)为例，电机运行在不同的工况时，磁饱和程度和温度等参数的变化会影响到定子电阻、电感和永磁体磁链变化，从而影响电机运行状态，为保证电机在运行中的平稳和可靠，需要对其各个参数的变化进行监测。此外，通过对永磁同步电机各个参数的观测还能够将这些观测数据与基于数据驱动的故障检测方法结合起来，对永磁同步电机进行健康状态监测和故障诊断等等。研究表明，永磁同步电机在运行过程中随着电机运行时间的增加，定子电阻大小会随着温度的升高变化较大，从而影响到电机的转子位置。针对该类具有不可测参数的电机设备，必须对其搭建状态观测器对其进行观测，首先利用辨识估计算法对其他不可测参数进行辨识估计，之后再将辨识估计得到的数据引入到设备模型的状态观测器中，利用观测得到的数据对电机进行性能分析，从而保证电机运行的安全性和可靠性。但现有的PMSM模型无法对不可测参数永磁体磁链大小进行精确辨识评估，且辨识估计的数据无法融入到永磁同步电机的状态观测方程中，导致永磁同步电机的运行状态评估精度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统，以解决现有的PMSM模型评估永磁同步电机的运行状态时，评估精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种永磁同步电机的运行状态评估方法，包括：
获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；
获取三相永磁同步电机的电机参数；所述电机参数包括电机的机械角速度、电磁转矩、阻尼系数以及转动惯量；
基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；
对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型；所述不可测参数包括转子永磁体产生的励磁磁场以及三相绕组的定子电阻；所述不可测参数影响下的PMSM模型包括同步旋转坐标系下的PMSM模型以及同步旋转坐标系下的机械运动方程；
利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链；
基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程；
获取所述三相永磁同步电机的实际电压以及实际电流；
以所述实际电压为所述离散化后的定子电阻状态观测方程的输入，以定子电阻为输出，根据所述定子电阻状态观测方程确定定子电阻观测值；
根据所述实际电压以及所述定子电阻确定观测电流；
将所述实际电流以及所述观测电流的电流误差作为补偿，输入到所述定子电阻状态观测方程中，确定下一个定子电阻观测值，直至所述电流误差为0；
根据所述定子电阻观测值评估所述永磁同步电机的运行状态；所述运行状态包括健康状态以及故障状态。
可选的，所述获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002534608880000031
对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；其中，us为三相绕组的定子电压，Rs为三相绕组的定子电阻，is为三相绕组的定子电流，ψs为电机的定子磁链。
可选的，所述基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程，具体包括：
基于机电能量转换关系，根据公式
Figure BDA0002534608880000032
确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；其中，J为转动惯量；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；wm为电机的机械角速度。
可选的，所述对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002534608880000033
对所述三相电压方程进行降阶和解耦变换处理，确定同步旋转坐标系下的PMSM模型；其中，ud为定子电压d轴分量；uq为定子电压q轴分量；Rs是PMSM的定子电阻；id为定子电流d轴分量；iq为定子电流q轴分量；ψd为定子磁链d轴分量；ψq是定子磁链q轴分量；wr是电角速度，p为微分算子；
根据公式
Figure BDA0002534608880000034
对所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，同步旋转坐标系下的机械运动方程。
可选的，所述基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002534608880000041
确定定子电阻状态观测方程；其中，
Figure BDA0002534608880000042
为定子电阻观测值；Ld为定子绕组的d轴电感；Lq为定子绕组的q轴电感；ψf为辨识估计后的永磁体磁链。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种永磁同步电机的运行状态评估系统，包括：
三相电压方程获取模块，用于获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；
电机参数获取模块，用于获取三相永磁同步电机的电机参数；所述电机参数包括电机的机械角速度、电磁转矩、阻尼系数以及转动惯量；
机械运动方程确定模块，用于基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；
不可测参数影响下的PMSM模型确定模块，用于对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型；所述不可测参数包括转子永磁体产生的励磁磁场以及三相绕组的定子电阻；所述不可测参数影响下的PMSM模型包括同步旋转坐标系下的PMSM模型以及同步旋转坐标系下的机械运动方程；
永磁体磁链辨识估计模块，用于利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链；
定子电阻状态观测方程确定模块，用于基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程；
实际电压以及实际电流获取模块，用于获取所述三相永磁同步电机的实际电压以及实际电流；
定子电阻观测值确定模块，用于以所述实际电压为所述离散化后的定子电阻状态观测方程的输入，以定子电阻为输出，根据所述定子电阻状态观测方程确定定子电阻观测值；
观测电流确定模块，用于根据所述实际电压以及所述定子电阻确定观测电流；
补偿模块，用于将所述实际电流以及所述观测电流的电流误差作为补偿，输入到所述定子电阻状态观测方程中，确定下一个定子电阻观测值，直至所述电流误差为0；
运行状态评估模块，用于根据所述定子电阻观测值评估所述永磁同步电机的运行状态；所述运行状态包括健康状态以及故障状态。
可选的，所述三相电压方程获取模块具体包括：
三相电压方程获取单元，用于根据公式
Figure BDA0002534608880000051
对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；其中，us为三相绕组的定子电压，Rs为三相绕组的定子电阻，is为三相绕组的定子电流，ψs为电机的定子磁链。
可选的，所述机械运动方程确定模块具体包括：
机械运动方程确定单元，用于基于机电能量转换关系，根据公式
Figure BDA0002534608880000052
确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；其中，J为转动惯量；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；wm为电机的机械角速度。
可选的，所述不可测参数影响下的PMSM模型确定模块具体包括：
同步旋转坐标系下的PMSM模型确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002534608880000053
对所述三相电压方程进行降阶和解耦变换处理，确定同步旋转坐标系下的PMSM模型；其中，ud为定子电压d轴分量；uq为定子电压q轴分量；Rs是PMSM的定子电阻；id为定子电流d轴分量；iq为定子电流q轴分量；ψd为定子磁链d轴分量；ψq是定子磁链q轴分量；wr是电角速度，p为微分算子；
同步旋转坐标系下的机械运动方程确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002534608880000061
对所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，同步旋转坐标系下的机械运动方程。
可选的，所述定子电阻状态观测方程确定模块具体包括：
定子电阻状态观测方程确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002534608880000062
确定定子电阻状态观测方程；其中，
Figure BDA0002534608880000063
为定子电阻观测值；Ld为定子绕组的d轴电感；Lq为定子绕组的q轴电感；ψf为辨识估计后的永磁体磁链。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统，本发明利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链，基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程，对不可测参数永磁体磁链进行精确评估的同时，将不可测参数永磁体磁链融入到永磁同步电机的状态观测方程中，从而提高永磁同步电机的运行状态的评估精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明所提供的永磁同步电机的运行状态评估方法流程图；
图2为本发明所提供的三相两极式永磁同步电机物理模型示意图；
图3为本发明所提供的各个坐标系之间的关系图；
图4为本发明所提供的Park变换矩阵仿真模型示意图；
图5为本发明所提供的基于滑模观测器的PMSM定子电阻观测器示意图；
图6为本发明设计的PMSM定子电阻状态观测器结构框图；
图7为本发明所提供的永磁同步电机的运行状态评估系统结构图；
图8为本发明所提供的PMSM的三相电压曲线图；
图9为本发明所提供的PMSM的三相电流曲线图；
图10为本发明所提供的PMSM的d-q轴电压曲线图；
图11为本发明所提供的PMSM的转速曲线图；
图12为本发明所提供的PMSM的磁链估计曲线图；
图13为本发明所提供的PMSM的定子电阻观测值曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种永磁同步电机的运行状态评估方法及系统，能够提高永磁同步电机的运行状态的评估精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的永磁同步电机的运行状态评估方法流程图，如图1所示，一种永磁同步电机的运行状态评估方法，包括：
步骤101：获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程。
三相永磁同步电机是一个强耦合、复杂的非线性系统，图2为本发明所提供的三相两极式永磁同步电机物理模型示意图，为了简化电机模型，在下列假设的前提下对PMSM模型简化后进行建模：
(1)假设PMSM忽略铁芯饱和。
(2)不计涡流与磁滞损耗。
(3)永磁体的电导率为零和相绕组中感应电动势的波形为正弦波形。
简化后自然坐标系下PMSM的三相电压方程为：
Figure BDA0002534608880000081
其中，us为三相绕组的定子电压，Rs为三相绕组的定子电阻，is为三相绕组的定子电流，ψs为电机的定子磁链，并具有如下形式：
Figure BDA0002534608880000082
其中，Ls为PMSM的定子电感，ψf为转子永磁体产生的励磁磁场，其在静止坐标系下的相位取决于电角度θr，上述各参数满足：
Figure BDA0002534608880000083
其中，iA、iB、iC分别为PMSM的三相电流，R为PMSM的三相绕组的电阻，ψA、ψB、ψC分别为三相绕组的磁链。
Figure BDA0002534608880000084
其中，uA、uB、uC分别为PMSM的三相电压。
Figure BDA0002534608880000085
其中，Lm3为定子互感；Ll3为定子漏感。根据公式(1)和公式(2)可得如下关系：
Figure BDA0002534608880000086
步骤102：获取三相永磁同步电机的电机参数；所述电机参数包括电机的机械角速度、电磁转矩、阻尼系数以及转动惯量。
步骤103：基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程。
根据机电能量转换关系，可得电机的机械运动方程为
Figure BDA0002534608880000091
其中，wm为电机的机械角速度，Te为电磁转矩，TL为负载转矩，B为阻尼系数，J为转动惯量。公式(7)即为PMSM在自然坐标系下的基本数学模型。可以看出三相PMSM的模型是一个较为复杂的多变量系统，为了便于设计电机控制器需要对该模型进行降阶和解耦变换。常用的坐标变换方法有静止坐标变换(Clark变换)和同步旋转坐标变换(Park变换)，本发明选用Park变换对电机模型进行处理。
步骤104：对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型；所述不可测参数包括转子永磁体产生的励磁磁场以及三相绕组的定子电阻；所述不可测参数影响下的PMSM模型包括同步旋转坐标系下的PMSM模型以及同步旋转坐标系下的机械运动方程。
将自然坐标系ABC变换到静止坐标系α-β的坐标变换成为Clark变换，将静止坐标系α-β变换到同步旋转坐标系d-q的坐标变换成为Park变换，图3为本发明所提供的各个坐标系之间的关系图。首先将自然坐标系下的变量转换为静止坐标系下的变量，可以使用以下坐标变换公式：
[fαfβf0]Τ＝T3s/2s[fAfBfC]Τ (8)
其中，公式(8)的左侧为静止坐标系下的各变量，公式(8)的右侧则为自然坐标系下的各变量。f代表电机的电压、电流或磁链等变量，T3s/2s为坐标变换矩阵，具体表示方式如下：
Figure BDA0002534608880000092
将静止坐标系α-β变换到同步旋转坐标系d-q可表示为：
[fdfq]Τ＝T2s/2r[fαfβ]Τ (10)
其中，公式(10)的左侧为同步旋转坐标系下的各变量，公式(10)的右侧则为静止坐标系下的各变量。T2s/2r为坐标变换矩阵，可表示为
Figure BDA0002534608880000101
由公式(8)-(11)可得自然坐标系ABC变换到同步旋转坐标系d-q的坐标变换关系如下，图4为本发明所提供的Park变换矩阵仿真模型示意图：
[fd fq f0]Τ＝T3s/2r[fA fB fC]Τ (12)
其中，T3s/2r为坐标变换矩阵，可表示为
Figure BDA0002534608880000102
需要特别说明的是对于三相对称系统而言，在计算时零序分量f0可以忽略不计。由此，得到了同步旋转坐标系下的PMSM模型：
Figure BDA0002534608880000103
其中，ud、uq分别是定子电压d-q轴分量，Rs是PMSM的定子电阻，id、iq分别是定子电流d-q轴分量，ψd、ψq是定子磁链的d-q轴分量，wr是电角速度，p为微分算子，且有
Figure BDA0002534608880000104
Te＝pn(ψdiq-ψqid) (16)
Figure BDA0002534608880000105
其中，pn表示电机极对数。至此，本发明得到了在不可测参数Rs和ψf影响下的PMSM模型描述。
步骤105：利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链。
步骤106：基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程。
通过对上述考虑不可测参数下的PMSM模型描述，结合式(14)和式(15)推导关系可以得到如下的PMSM电压方程式：
Figure BDA0002534608880000111
方程(18)中的各个变量均为瞬时值，ud、uq、id、iq分别为定子绕组的d、q轴分量的电压和电流，而Rs是定子电阻，Rs为不可测且为本发明需要对其观测的参数，Ld和Lq分别是定子绕组的d、q轴的电感，wr为电角速度，p为微分算子。由公式(18)可以得到如下关系：
Figure BDA0002534608880000112
将式(19)进一步化简可以得到：
Figure BDA0002534608880000113
整理后可得观测的定子相电阻
Figure BDA0002534608880000114
的状态观测方程为：
Figure BDA0002534608880000115
为了能够计算，还应该对定子相电阻的状态观测方程进行离散化处理，取足够小的采样时间Ts，那么会有如下公式：
Figure BDA0002534608880000116
Figure BDA0002534608880000117
结合式(18)和式(22)、(23)可得永磁同步电机离散的动态方程如下式：
iq(k)＝aiq(k-1)+b[uq(k)+uq(k-1)]+c[wr(k)id(k)+wr(k-1)id(k-1)]+d[wr(k)+wr(k-1)]
(24)
其中，
Figure BDA0002534608880000121
为了能够对定子电阻进行观测，掌握电机运行过程中的健康状态，需要首先对其他的不可测参数利用最小二乘及其扩展算法进行辨识估计。本发明采用多新息最小二乘算法对PMSM的永磁体磁链ψf进行辨识估计，多新息最小二乘算法的基本思想如下式所示：
Figure BDA0002534608880000122
其中Δ(k)为修正值
Figure BDA0002534608880000123
多新息最小二乘算法协方差矩阵的更新通过引进遗忘因子，即多新息最小二乘算法表示的PMSM系统多新息模型参数辨识向量
Figure BDA0002534608880000124
的表达式为：
Figure BDA0002534608880000125
其中p为多新息，对算法进行初值设定，一般初值设定为如下关系：
P(0)＝αI (27)
Figure BDA0002534608880000126
α为充分大的正实数(104～106)；ε为零向量。其中：
Figure BDA0002534608880000127
Figure BDA0002534608880000128
Figure BDA0002534608880000129
Y(p,k)＝[y(k)y(k-1)…y(k-p+1)](32)
其中，λ为遗忘因子，P(k)为协方差矩阵。在本发明中PMSM的输入矩阵和输出矩阵分别具有如下形式：
Figure BDA00025346088800001210
Y(p,k)＝[iq(k-1)iq(k-1)…iq(k-p+1)]Τ (34)
采用多新息最小二乘算法对永磁体磁链辨识估计的对应算法为：
Figure BDA0002534608880000131
最后，得出多新息最小二乘算法辨识估计后的永磁体磁链如下：
Figure BDA0002534608880000132
步骤107：获取所述三相永磁同步电机的实际电压以及实际电流。
步骤108：以所述实际电压为所述离散化后的定子电阻状态观测方程的输入，以定子电阻为输出，根据所述定子电阻状态观测方程确定定子电阻观测值。
步骤109：根据所述实际电压以及所述定子电阻确定观测电流。
步骤110：将所述实际电流以及所述观测电流的电流误差作为补偿，输入到所述定子电阻状态观测方程中，确定下一个定子电阻观测值，直至所述电流误差为0。
步骤111：根据所述定子电阻观测值评估所述永磁同步电机的运行状态；所述运行状态包括健康状态以及故障状态。
本发明通过使用RLS算法对永磁体磁链进行辨识估计后，将得到的PMSM永磁体磁链估计数据加入到状态观测器中，用来获得更准确的观测数据。为实现对PMSM不可测参数的观测，减小不可测参数对系统运行过程中产生的影响，本发明设计了基于滑模观测器的PMSM定子电阻观测器，其输入输出关系如图5所示。
图6为本发明设计的PMSM定子电阻状态观测器结构框图，可以看出本发明采用滑模观测器对定子电阻进行观测，Vs为电机的电压，Is为电机的电流，
Figure BDA0002534608880000133
为根据观测的电阻求出的观测电流。
本发明的Vs作为输入驱动电机运行，同时将电压Vs作为观测器的输入，根据状态观测方程得出定子电阻观测值
Figure BDA0002534608880000134
然后将定子电阻
Figure BDA0002534608880000135
作为输入，根据PMSM定子电压、电流和电阻三者之间的关系方程计算出观测电流
Figure BDA0002534608880000136
大小；再通过将实际的电流值与观测电流值做差后得到电流误差
Figure BDA0002534608880000137
将
Figure BDA0002534608880000138
输入到滑模控制器内；其中，k为常数，sgn(x)为符号函数：
Figure BDA0002534608880000141
将电流误差
Figure BDA0002534608880000142
作为补偿输入到定子电阻状态观测方程内继续观测下一个定子电阻值，当电流的误差为0后，定子电阻
Figure BDA0002534608880000143
的观测值接近实际的电子电阻大小。
图7为本发明所提供的永磁同步电机的运行状态评估系统结构图，如图7所示，一种永磁同步电机的运行状态评估系统，包括：
三相电压方程获取模块701，用于获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程。
所述三相电压方程获取模块701具体包括：根据公式
Figure BDA0002534608880000144
对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；其中，us为三相绕组的定子电压，Rs为三相绕组的定子电阻，is为三相绕组的定子电流，ψs为电机的定子磁链。
电机参数获取模块702，用于获取三相永磁同步电机的电机参数；所述电机参数包括电机的机械角速度、电磁转矩、阻尼系数以及转动惯量。
机械运动方程确定模块703，用于基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程。
所述机械运动方程确定模块703具体包括：基于机电能量转换关系，根据公式
Figure BDA0002534608880000145
确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；其中，J为转动惯量；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；wm为电机的机械角速度。
不可测参数影响下的PMSM模型确定模块704，用于对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型；所述不可测参数包括转子永磁体产生的励磁磁场以及三相绕组的定子电阻；所述不可测参数影响下的PMSM模型包括同步旋转坐标系下的PMSM模型以及同步旋转坐标系下的机械运动方程。
所述不可测参数影响下的PMSM模型确定模块704具体包括：同步旋转坐标系下的PMSM模型确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002534608880000151
对所述三相电压方程进行降阶和解耦变换处理，确定同步旋转坐标系下的PMSM模型；其中，ud为定子电压d轴分量；uq为定子电压q轴分量；Rs是PMSM的定子电阻；id为定子电流d轴分量；iq为定子电流q轴分量；ψd为定子磁链d轴分量；ψq是定子磁链q轴分量；wr是电角速度，p为微分算子；同步旋转坐标系下的机械运动方程确定单元，用于基于机电能量转换关系，根据公式
Figure BDA0002534608880000152
对所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，得到或确定同步旋转坐标系下的机械运动方程。
永磁体磁链辨识估计模块705，用于利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链；
定子电阻状态观测方程确定模块706，用于基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程。
实际电压以及实际电流获取模块707，用于获取所述三相永磁同步电机的实际电压以及实际电流。
定子电阻观测值确定模块708，用于以所述实际电压为所述离散化后的定子电阻状态观测方程的输入，以定子电阻为输出，根据所述定子电阻状态观测方程确定定子电阻观测值。
所述定子电阻状态观测方程确定模块708具体包括：定子电阻状态观测方程确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002534608880000153
确定定子电阻状态观测方程；其中，
Figure BDA0002534608880000154
为定子电阻观测值；Ld为定子绕组的d轴电感；Lq为定子绕组的q轴电感；ψf为辨识估计后的永磁体磁链。
观测电流确定模块709，用于根据所述实际电压以及所述定子电阻确定观测电流。
补偿模块710，用于将所述实际电流以及所述观测电流的电流误差作为补偿，输入到所述定子电阻状态观测方程中，确定下一个定子电阻观测值，直至所述电流误差为0。
运行状态评估模块711，用于根据所述定子电阻观测值评估所述永磁同步电机的运行状态；所述运行状态包括健康状态以及故障状态。
下面以一个具体的实际应用来阐述本发明所要保护的技术方案：
三相永磁同步电机被广泛应用于工业生产的各个领域，发挥了巨大的作用。永磁同步电机作为电驱动伺服机构中的关键组成部件，其性能会直接影响到整个系统的运作，因此，保证永磁同步电机在运行中的安全性和稳定性变得至关重要。为了对电机的运行状态进行全方位的监控，需要对电机的各个参数的变化进行采样，然而，由于永磁同步电机的结构和安装以及环境限制等原因，无法对电机的所有变量都使用传感器进行数据采集。所以，对于一些无法采集的参数需要进行观测、辨识和估计，将这些不可测参数进行观测、辨识估计后得到的数据与传感器采集得到的数据融合可以建立更具代表性的模型，大大提高了永磁同步电机的监控性能。
本发明基于三相永磁同步电机数据进行实验，验证本发明所提供的不可测参数观测、辨识估计方法。本发明的每组变量都包含1000个采样数据，采样时间间隔为Ts＝1×10-5，电机选用380V的三相电压，图8和图9分别为PMSM的三相电压曲线图、电流曲线图。
图10为本发明所提供的PMSM的d-q轴电压曲线图，PMSM的d-q轴电压由三相电压经过坐标变换所得；图11为本发明所提供的PMSM的转速曲线图，本发明实验将电机的转速控制在600r/min，负载转矩初始值设置为0。
图12为本发明所提供的PMSM的磁链估计曲线图，本发明使用的永磁同步电机磁链为ψf＝0.3Wb，通过递推最小二乘算法估计后的值收敛于0.3Wb，可以看出利用本发明的RLS辨识估计算法得出的辨识结果有效。
图13为本发明所提供的PMSM的定子电阻观测值曲线图，本发明使用的永磁同步电机定子电阻值为R＝2.875Ω，可以看出利用状态观测器所观测出的电阻值有所增大，但是比较接近电阻的实际值，表明本发明所搭建的状态观测器有效。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的运行状态评估方法，其特征在于，包括：
获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；
获取三相永磁同步电机的电机参数；所述电机参数包括电机的机械角速度、电磁转矩、阻尼系数以及转动惯量；
基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；
对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型；所述不可测参数包括转子永磁体产生的励磁磁场以及三相绕组的定子电阻；所述不可测参数影响下的PMSM模型包括同步旋转坐标系下的PMSM模型以及同步旋转坐标系下的机械运动方程；
利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链；
基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程；
获取所述三相永磁同步电机的实际电压以及实际电流；
以所述实际电压为离散化后的定子电阻状态观测方程的输入，以定子电阻为输出，根据所述定子电阻状态观测方程确定定子电阻观测值；
根据所述实际电压以及所述定子电阻确定观测电流；
将所述实际电流以及所述观测电流的电流误差作为补偿，输入到所述定子电阻状态观测方程中，确定下一个定子电阻观测值，直至所述电流误差为0；
根据所述定子电阻观测值评估所述永磁同步电机的运行状态；所述运行状态包括健康状态以及故障状态。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的运行状态评估方法，其特征在于，所述获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程，具体包括：
根据公式
Figure FDA0003092557900000021
对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；其中，us为三相绕组的定子电压，Rs为三相绕组的定子电阻，is为三相绕组的定子电流，ψs为电机的定子磁链。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的运行状态评估方法，其特征在于，所述基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程，具体包括：
基于机电能量转换关系，根据公式
Figure FDA0003092557900000022
确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；其中，J为转动惯量；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；wm为电机的机械角速度。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的运行状态评估方法，其特征在于，所述对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型，具体包括：
根据公式
Figure FDA0003092557900000023
对所述三相电压方程进行降阶和解耦变换处理，确定同步旋转坐标系下的PMSM模型；其中，ud为定子电压d轴分量；uq为定子电压q轴分量；Rs是PMSM的定子电阻；id为定子电流d轴分量；iq为定子电流q轴分量；ψd为定子磁链d轴分量；ψq是定子磁链q轴分量；wr是电角速度，p为微分算子；
根据公式
Figure FDA0003092557900000024
对所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，同步旋转坐标系下的机械运动方程。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机的运行状态评估方法，其特征在于，所述基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程，具体包括：
根据公式
Figure FDA0003092557900000025
确定定子电阻状态观测方程；其中，
Figure FDA0003092557900000031
为定子电阻观测值；Ld为定子绕组的d轴电感；Lq为定子绕组的q轴电感；ψf为辨识估计后的永磁体磁链。
6.一种永磁同步电机的运行状态评估系统，其特征在于，包括：
三相电压方程获取模块，用于获取三相永磁同步电机PMSM模型，并对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；
电机参数获取模块，用于获取三相永磁同步电机的电机参数；所述电机参数包括电机的机械角速度、电磁转矩、阻尼系数以及转动惯量；
机械运动方程确定模块，用于基于机电能量转换关系，根据所述电机参数确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；
不可测参数影响下的PMSM模型确定模块，用于对所述三相电压方程以及所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，确定不可测参数影响下的PMSM模型；所述不可测参数包括转子永磁体产生的励磁磁场以及三相绕组的定子电阻；所述不可测参数影响下的PMSM模型包括同步旋转坐标系下的PMSM模型以及同步旋转坐标系下的机械运动方程；
永磁体磁链辨识估计模块，用于利用多新息最小二乘法对所述转子永磁体产生的励磁磁场进行辨识估计，确定辨识估计后的永磁体磁链；
定子电阻状态观测方程确定模块，用于基于所述辨识估计后的永磁体磁链，根据所述不可测参数影响下的PMSM模型确定定子电阻状态观测方程；
实际电压以及实际电流获取模块，用于获取所述三相永磁同步电机的实际电压以及实际电流；
定子电阻观测值确定模块，用于以所述实际电压为离散化后的定子电阻状态观测方程的输入，以定子电阻为输出，根据所述定子电阻状态观测方程确定定子电阻观测值；
观测电流确定模块，用于根据所述实际电压以及所述定子电阻确定观测电流；
补偿模块，用于将所述实际电流以及所述观测电流的电流误差作为补偿，输入到所述定子电阻状态观测方程中，确定下一个定子电阻观测值，直至所述电流误差为0；
运行状态评估模块，用于根据所述定子电阻观测值评估所述永磁同步电机的运行状态；所述运行状态包括健康状态以及故障状态。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的运行状态评估系统，其特征在于，所述三相电压方程获取模块具体包括：
三相电压方程获取单元，用于根据公式
Figure FDA0003092557900000041
对所述PMSM模型进行简化，确定自然坐标系下PMSM的三相电压方程；其中，us为三相绕组的定子电压，Rs为三相绕组的定子电阻，is为三相绕组的定子电流，ψs为电机的定子磁链。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机的运行状态评估系统，其特征在于，所述机械运动方程确定模块具体包括：
机械运动方程确定单元，用于基于机电能量转换关系，根据公式
Figure FDA0003092557900000042
确定所述三相永磁同步电机的机械运动方程；其中，J为转动惯量；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；wm为电机的机械角速度。
9.根据权利要求8所述的永磁同步电机的运行状态评估系统，其特征在于，所述不可测参数影响下的PMSM模型确定模块具体包括：
同步旋转坐标系下的PMSM模型确定单元，用于根据公式
Figure FDA0003092557900000043
对所述三相电压方程进行降阶和解耦变换处理，确定同步旋转坐标系下的PMSM模型；其中，ud为定子电压d轴分量；uq为定子电压q轴分量；Rs是PMSM的定子电阻；id为定子电流d轴分量；iq为定子电流q轴分量；ψd为定子磁链d轴分量；ψq是定子磁链q轴分量；wr是电角速度，p为微分算子；
同步旋转坐标系下的机械运动方程确定单元，用于根据公式
Figure FDA0003092557900000044
对所述机械运动方程进行降阶和解耦变换处理，同步旋转坐标系下的机械运动方程。
10.根据权利要求9所述的永磁同步电机的运行状态评估系统，其特征在于，所述定子电阻状态观测方程确定模块具体包括：
定子电阻状态观测方程确定单元，用于根据公式
Figure FDA0003092557900000051
确定定子电阻状态观测方程；其中，
Figure FDA0003092557900000052
为定子电阻观测值；Ld为定子绕组的d轴电感；Lq为定子绕组的q轴电感；ψf为辨识估计后的永磁体磁链。
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