CN112968650B

CN112968650B - 一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法及装置

Info

Publication number: CN112968650B
Application number: CN202110300829.3A
Authority: CN
Inventors: 魏翼鹰; 周永平; 张晖; 邹琳; 郑砚龄; 李新颜
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: CN112968650A

Abstract

本发明涉及一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法及装置，该方法包括：获取电机的平面电磁有限元模型；针对电机进行扫描，确定对应的扫描设置参数；将扫描设置参数导入至平面电磁有限元模型，确定对应的降阶抽取模型；根据降阶抽取模型，确定至少一种电机运行参数；根据至少一种电机运行参数与仿真结果的映射关系，建立多维数据查找表；根据多维数据查找表，建立高精度电机模型，并将高精度电机模型添加至电机控制算法中，并烧录至电机控制芯片中。本发明实现在不同工况下，实现捕获电机的非线性行为，提供电机控制性能。

Description

一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术，尤其涉及一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法及装置。

背景技术

随着国家发展战略的调整，新能源汽车将逐步替代燃油车。由于永磁同步电动机的高效率、高功率密度以及运行可靠等优点，被广泛应用于纯电动汽车领域。但是由于电动汽车具有多工况、变负载、宽调速范围等特点，电动车用永磁同步电机的谐波转矩分量更丰富、更复杂，减振降噪的难度更大，现有的车用永磁同步电机降噪控制方案效果并不显著。

具体原因可归结为以下几点：

首先，在现有的车用电机控制方案中通常采用的被控电机模型是线性理想化的数学模型，但是在实际电机运行时，由于PMSM的材料特性和结构空间谐波的非线性，导致电机实际模型是高度非线性的，但在现有的技术方案中由于无法对于电机建立准确的模型，则无法捕获电机的非线性行为，进而导致电机的控制性能下降，同时也就无法就谐波畸变等因素导致的振动噪声做出有效合理的修正。

此外，在现有电动车用永磁同步电机减振降噪方案中，采用的是一种离线开环的方法，无法对于电机振动噪声产生合理的反馈控制，进而导致电机的振动噪声削弱不明显。

最后，在现有电动车用永磁同步电机控制方案中，通常采用单一的控制方案，但是在电机的控制性能需求上，由于在不同工况下的电机减振降噪和效率性能需求不尽相同，通过单一的电机控制方案通常无法实现在不同工况下的电机控制需求。

综上，如何高效捕获电机的非线性行为，实现准确电机控制是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法及装置，用以解决如何高效捕获电机的非线性行为，实现准确电机控制的问题。

本发明提供一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，包括：

获取电机的平面电磁有限元模型；

针对所述电机进行扫描，确定对应的扫描设置参数；

将所述扫描设置参数导入至所述平面电磁有限元模型，确定对应的降阶抽取模型；

根据所述降阶抽取模型，确定至少一种电机运行参数；

根据所述至少一种电机运行参数与仿真结果的映射关系，建立多维数据查找表；

根据所述多维数据查找表，建立高精度电机模型，并将所述高精度电机模型添加至电机控制算法中，并烧录至电机控制芯片中；

在所述电机的运转过程中，获取对应的振动信号，其中，所述振动信号的获取基于改进的电机定子，所述改进的电机定子将振动传感器安装在定子槽楔处，所述振动传感器的信号线路通过定子绕组线路引出，以将采集的所述振动信号和/或温度信息反馈至电机控制器；

根据所述振动信号，切换所述电机控制算法。

进一步地，所述获取电机的平面电磁有限元模型包括：

获取电机设计结构参数；

根据所述电机设计结构参数，建立所述平面电磁有限元模型。

进一步地，所述针对所述电机进行扫描，确定对应的扫描设置参数包括：

对所述电机的电枢电流和转子角度进行扫描；

调整不同的扫描区间和扫描步长，直至达到模型的最佳精度，确定对应的所述扫描设置参数。

进一步地，所述将所述扫描设置参数导入至所述平面电磁有限元模型，确定对应的降阶抽取模型包括：

设置电机有限元仿真软件中的电枢激励源为外部输入；

将所述扫描设置参数导入至所述平面电磁有限元模型，并使所述平面电磁有限元模型运行仿真；

根据所述平面电磁有限元模型和对应的所述仿真结果，确定所述降阶抽取模型。

进一步地，所述至少一种电机运行参数包括电流、磁链以及电磁转矩。

进一步地，所述根据所述振动信号，切换所述电机控制算法包括：

根据所述振动信号，确定对应的线性加权函数；

根据所述线性加权函数，切换所述电机控制算法。

进一步地，所述线性加权函数通过如下公式表示：

其中，η表示所述线性加权函数的函数值，ρ₁表示预设的阈值上限，ρ₂表示预设的阈值下限，ρ_i表示所述振动信号。

进一步地，所述根据所述线性加权函数，切换所述电机控制算法包括：根据所述线性加权函数和所述电机控制算法的乘积，确定当前控制算法，并根据所述当前控制算法驱动所述电机。

进一步地，所述电机控制算法根据电机型号以及所需要的工况以及性能确定后，烧录至所述电机控制芯片。

本发明还提供一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪装置，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：首先，通过基于电机设计结构参数，在电机有限元仿真软件中建立永磁同步电机的平面电磁有限元模型；然后，进行电机扫描设置，通过组件对电机进行扫描，导出扫描设置文件，确定扫描参数；进而，将前述步骤中导出的扫描设置文件导入到在电机有限元仿真软件中建立的平面电机有限元模型中；接着，运行仿真模型，分析计算永磁同步电机模型，可以得到永磁同步电机的降阶抽取电机模型，在仿真结果文件中，可以得到多种电机运行参数；然后，根据降阶抽取模型，有效确定电机运行参数；从而，基于电机运行参数与仿真结果的映射关系，充分考虑拓扑结构复杂导致的空间谐波以及材料特性非线性，构建多维数据查找表，将其进行降维处理，充分捕捉非线性特征；最后，利用构建多维数据查找表，反馈非线性行为，建立高精度电机模型，实现电机控制算法的准确控制。综上，本发明提高了对电机非线性行为捕捉的准确度，进而提升了电机控制算法的精度，并通过降阶电机模型极大地降低了电机控制器的计算负荷。

附图说明

图1为本发明提供的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法的流程示意图；

图2为本发明提供的获取平面电磁有限元模型的流程示意图；

图3为本发明提供的针对电机进行扫描的流程示意图；

图4为本发明提供的确定降阶抽取模型的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，结合图1来看，图1为本发明提供的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法的流程示意图，上述基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法包括步骤S1至步骤S6，其中：

在步骤S1中，获取电机的平面电磁有限元模型；

在步骤S2中，针对电机进行扫描，确定对应的扫描设置参数；

在步骤S3中，将扫描设置参数导入至平面电磁有限元模型，确定对应的降阶抽取模型；

在步骤S4中，根据降阶抽取模型，确定至少一种电机运行参数；

在步骤S5中，根据至少一种电机运行参数与仿真结果的映射关系，建立多维数据查找表；

在步骤S6中，根据多维数据查找表，建立高精度电机模型，并将高精度电机模型添加至电机控制算法中，并烧录至电机控制芯片中；

在步骤S7中，在电机的运转过程中，获取对应的振动信号，其中，振动信号的获取基于改进的电机定子，改进的电机定子将振动传感器安装在定子槽楔处，振动传感器的信号线路通过定子绕组线路引出，以将采集的振动信号和/或温度信息反馈至电机控制器；

在步骤S8中，根据振动信号，切换电机控制算法。

在本发明实施例中，首先，通过基于电机设计结构参数，在电机有限元仿真软件中建立永磁同步电机的平面电磁有限元模型；然后，进行电机扫描设置，通过组件对电机进行扫描，导出扫描设置文件，确定扫描参数；进而，将前述步骤中导出的扫描设置文件导入到在电机有限元仿真软件中建立的平面电机有限元模型中；接着，运行仿真模型，分析计算永磁同步电机模型，可以得到永磁同步电机的降阶抽取电机模型，在仿真结果文件中，可以得到多种电机运行参数；然后，根据降阶抽取模型，有效确定电机运行参数；从而，基于电机运行参数与仿真结果的映射关系，充分考虑拓扑结构复杂导致的空间谐波以及材料特性非线性，构建多维数据查找表，将其进行降维处理，充分捕捉非线性特征；最后，利用构建多维数据查找表，反馈非线性行为，建立高精度电机模型，实现电机控制算法的准确控制。进一步地，基于电机定子现有结构，将传感器直接安装在定子槽楔处，并且传感器信号线路可以通过定子绕组线路引出。然后，将传感器实时采集的振动甚至是温度数据信号经过滤波及放大，然后反馈到电机控制器，形成电机振动的闭环控制。最后，为了适应在不同工况下的性能需求，可以采用复合控制算法，基于所检测到的振动数据切换不同的电机控制算法。为了实现两种控制算法间的平滑切换，可以基于前述的在电机本体上安装的传感器实时采集的振动数据信息，并结合线性加权函数实现。

需要说明的是，现有的振动检测方法通常是采用分立式传感器测量，并将其通过粘胶固定在电机表面，这一方法安装复杂，并且也不利于新能源汽车电机在日常运行情况下的长期实时监测。此外还有采用在电机定子齿部及轭部开槽并植入传感器进行测量的方法，但是这类方案，将极大的破坏电机定子刚度，进而影响电机性能及使用寿命。

优选地，结合图2来看，图2为本发明提供的获取平面电磁有限元模型的流程示意图，上述步骤S1包括步骤S11至步骤S12，其中：

在步骤S11中，获取电机设计结构参数；

在步骤S12中，根据电机设计结构参数，建立平面电磁有限元模型。

作为具体实施例，本发明实施例基于电机设计结构参数，在电机有限元仿真软件中建立永磁同步的平面电磁有限元模型。

优选地，结合图3来看，图3为本发明提供的针对电机进行扫描的流程示意图，上述步骤S2包括步骤S21至步骤S22，其中：

在步骤S21中，对电机的电枢电流和转子角度进行扫描；

在步骤S22中，调整不同的扫描区间和扫描步长，直至达到模型的最佳精度，确定对应的扫描设置参数。

作为具体实施例，本发明实施例进行电机扫描设置，通过组件对电机的电枢电流以及电机转子角度进行扫描，且可按需求设定不同的扫描区间和扫描步长来控制模型精度，然后导出扫描设置文件，以此有效确定扫描设置参数。

优选地，结合图4来看，图4为本发明提供的确定降阶抽取模型的流程示意图，上述步骤S3包括步骤S31至步骤S33，其中：

在步骤S31中，设置电机有限元仿真软件中的电枢激励源为外部输入；

在步骤S32中，将扫描设置参数导入至平面电磁有限元模型，并使平面电磁有限元模型运行仿真；

在步骤S33中，根据平面电磁有限元模型和对应的仿真结果，确定降阶抽取模型。

作为具体实施例，本发明实施例通过设置电机有限元仿真软件中的电枢激励源为External(外部输入)，将前述步骤中导出的扫描设置文件(包含扫描设置参数)导入到在电机有限元仿真软件中建立的平面电磁有限元模型中，运行仿真模型，分析计算永磁同步电机模型，可以得到永磁同步电机的降阶抽取模型。

优选地，至少一种电机运行参数包括电流、磁链以及电磁转矩。作为具体实施例，本发明实施例在仿真结果文件中，可以找到扫描仿真得到的电机电流、磁链以及电磁转矩等数据，并基于此数据，考虑拓扑结构复杂导致的空间谐波以及材料特性非线性。需要说明的是，构建多维数据查找表建立高精度电机模型，进而作为高精度电机模型添加进电机控制算法中，最后生成代码烧录到电机控制器的芯片中。

优选地，上述步骤S8具体包括：根据振动信号，确定对应的线性加权函数；根据线性加权函数，切换电机控制算法。作为具体实施例，本发明实施例。

优选地，上述线性加权函数通过如下公式表示：

其中，η表示线性加权函数的函数值，ρ₁表示预设的阈值上限，ρ₂表示预设的阈值下限，ρ_i表示振动信号。

作为具体实施例，本发明实施例结合线性加权函数实现。根据不同电机及需求设定基于振动大小的控制算法切换阈值下限及上限分别为ρ₁和ρ₂，实现平滑切换。

优选地，上述步骤S8具体包括：根据所述线性加权函数和所述电机控制算法的乘积，确定当前控制算法，并根据所述当前控制算法驱动所述电机。作为具体实施例，本发明实施例利用线性加权函数进行有效的控制算法切换，适应于不同的工况。

优选地，上述电机控制算法根据电机型号以及所需要的工况以及性能确定后，烧录至电机控制芯片。作为具体实施例，本发明实施例采用的不同的控制算法，可以根据电机型号以及所需要的工况以及性能来选择，而在减振降噪和性能需求算法切换时则可以应用以上方案。

实施例2

本发明实施例提供了一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪装置，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法。

本发明公开了一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法及装置，首先，通过基于电机设计结构参数，在电机有限元仿真软件中建立永磁同步电机的平面电磁有限元模型；然后，进行电机扫描设置，通过组件对电机进行扫描，导出扫描设置文件，确定扫描参数；进而，将前述步骤中导出的扫描设置文件导入到在电机有限元仿真软件中建立的平面电机有限元模型中；接着，运行仿真模型，分析计算永磁同步电机模型，可以得到永磁同步电机的降阶抽取电机模型，在仿真结果文件中，可以得到多种电机运行参数；然后，根据降阶抽取模型，有效确定电机运行参数；从而，基于电机运行参数与仿真结果的映射关系，充分考虑拓扑结构复杂导致的空间谐波以及材料特性非线性，构建多维数据查找表，将其进行降维处理，充分捕捉非线性特征；最后，利用构建多维数据查找表，反馈非线性行为，建立高精度电机模型，实现电机控制算法的准确控制。

本发明技术方案，提高了对电机非线性行为捕捉的准确度，进而，提升了电机控制算法的精度，并通过降阶电机模型极大地降低了电机控制器的计算负荷。除此之外，有效地实现了在不同工况下兼顾性能需求与降噪需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，其特征在于，包括：

获取电机的平面电磁有限元模型；

针对所述电机进行扫描，确定对应的扫描设置参数；

根据所述降阶抽取模型，确定至少一种电机运行参数；

在所述电机的运转过程中，获取对应的振动信号，其中，所述振动信号的获取基于改进的电机定子，所述改进的电机定子将振动传感器安装在定子槽楔处，所述振动传感器的信号线路通过定子绕组线路引出，以将采集的所述振动信号反馈至电机控制器；

根据所述振动信号，切换所述电机控制算法；

所述获取电机的平面电磁有限元模型包括：

获取电机设计结构参数；

根据所述电机设计结构参数，建立所述平面电磁有限元模型；

所述针对所述电机进行扫描，确定对应的扫描设置参数包括：

对所述电机的电枢电流和转子角度进行扫描；

调整不同的扫描区间和扫描步长，直至达到模型的最佳精度，确定对应的所述扫描设置参数；

所述将所述扫描设置参数导入至所述平面电磁有限元模型，确定对应的降阶抽取模型包括：

设置电机有限元仿真软件中的电枢激励源为外部输入；

根据所述平面电磁有限元模型和对应的所述仿真结果，确定所述降阶抽取模型；

所述至少一种电机运行参数包括电流、磁链以及电磁转矩。

2.根据权利要求1所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，其特征在于，所述根据所述振动信号，切换所述电机控制算法包括：

根据所述振动信号，确定对应的线性加权函数；

根据所述线性加权函数，切换所述电机控制算法。

3.根据权利要求2所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，其特征在于，所述线性加权函数通过如下公式表示：

其中，

表示所述线性加权函数的函数值，

表示预设的阈值上限，

表示预设的阈值下限，

表示所述振动信号。

4.根据权利要求3所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，其特征在于，所述根据所述线性加权函数，切换所述电机控制算法包括：根据所述线性加权函数和所述电机控制算法的乘积，确定当前控制算法，并根据所述当前控制算法驱动所述电机。

5.根据权利要求4所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法，其特征在于，所述电机控制算法根据电机型号以及所需要的工况以及性能确定后，烧录至所述电机控制芯片。

6.一种基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1-5任一项所述的基于降阶模型振动反馈控制的电机降噪方法。