EPS同步助力电机电磁系数离线获取方法研究

论文摘要

电动助力转向系统（EPS）不仅可以提高燃油经济性、降低发动机舱布置难度，而且可以改善操舵感觉，后者对EPS助力电机控制提出了很高的要求。为了提高助力电机力矩跟随控制效果和进行在线故障诊断，有必要进行电机电磁系数辨识，而且也需要确定它们随运行状态的变化规律。当助力电机为永磁同步电机（PMSM）时，这个问题更为突出。本文以同步助力电机为研究对象，面向后续研究电机电磁系数随运行状态变化规律的背景，开展了电磁系数离线获取方法研究。电机电磁系数获取方法包括直接测量方法、估计器方法、优化辨识方法等。其中直接测量法不可获得运行态的数据，精度有限，但实施简单，结果不存在不收敛的问题；估计器方法可进行在线参数估计，但存在结果不收敛的情况；优化辨识一般离线进行，但是可以获得稳态运行时电机的电磁系数。结合研究背景，在本文研究中仅采用了直接测量法和优化辨识方法。在对国内外文献研究基础上，确定了使用直接测量法进行助力电机电磁系数获取的技术方案，即利用转子磁链转速与电机机械转速的比例关系确定磁极对数；利用伏安法测量电机内阻；利用电压积分法测量电机直轴电感和交轴电感；利用电机反拖试验测量电机转子磁链幅值。在此基础上，开展了各项实验，验证了各参数测量方案的可行性。为了配合使用仿真方法研究电机参数离线辨识，在分析转子磁场定向同步电机建模方法基础上，在Matlab/Simulink中建立了PMSM仿真模型，并应用转子磁场定向控制实现了对电机转速的控制。电机参数辨识算法的一个关键问题是优化算法的选择，考虑到遗传算法适宜于进行多凸问题的优化，且只要求输入输出关系已知，对优化对象模型没有过多要求，也考虑到本文没有进行目标优化问题单调性的证明，故选用遗传算法作为电机参数辨识中的优化方法。设计变量包括定子电阻、直轴电感、交轴电感和转子磁链幅值。设计变量变化范围、种群数、交叉率、变异率和代数是遗传算法优化时可调整的主要内容，它们直接影响到是否收敛到真值和计算消耗。在应用时，交叉率和变异率采用了通常的选择方法。在没有预先知识的情况下，设定设计变量变化范围是一个“痛苦”的过程。以电机参数直接测量结果为基础，结合对它们随电机运行状态一般变化规律的了解，可以减小在通过优化方法进行参数辨识时对设计变量变化范围的限定。判定辨识结果是否是真值是另一项关键技术，在本文中提出应同时使用两种约束条件，当它们同时满足时，即认为获得的是真值。这些约束包括：当增加种群数和代数后，辨识结果不再发生变化；将辨识结果带入电机仿真模型，在相同输入和负载条件下，电机相电流响应与试验结果相同。并在此分析基础上，进行了电机参数离线辨识的仿真计算和结果分析。为了进一步研究基于遗传算法优化方法的电机参数辨识方法，组织了电机运行数据测量实验，利用这些实验数据，进行电机参数辨识，之后进行了辨识结果分析。辨识结果分析表明，利用此方法取得了较好的EPS同步助力电机电磁系数辨识效果。本文的研究工作为后续研究电机电磁系数随运行状态变化规律奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 电机电磁系数的主要获取方法
• 1.2.1 直接测量法
• 1.2.2 估计器法
• 1.2.3 参数辨识法
• 1.2.4 几种方法的比较
• 1.3 论文的主要内容及安排
• 第2章 永磁同步电机的数学模型及 SIMULINK 仿真模型
• 2.1 永磁同步电机的结构和分类
• 2.1.1 永磁同步电机的结构
• 2.1.2 永磁同步电机的分类
• 2.2 同步电机的数学模型
• 2.2.1 三相静止坐标系下同步电机数学模型
• 2.2.2 同步电机的矢量变换
• 2.2.3 两相静止坐标系下的同步电机数学模型
• 2.2.4 两相旋转坐标系下的同步电机数学模型
• 2.3 同步电机的 SIMULINK 仿真模型
• 第3章 电机参数的直接测量
• 3.1 电机磁极对数的测量
• 3.2 电机转子磁链幅值的测量
• 3.3 定子内阻的测量
• 3.3.1 测量定子内阻原理
• 3.3.2 测量定子电阻注意事项
• 3.4 电机电感的测量
• 3.4.1 基于磁场控制的电感测量
• 3.4.2 电压积分法测量电机电感
• 3.4.3 电压积分法测量电机电感注意事项
• 第4章 应用遗传算法的电机参数辨识
• 4.1 电机参数辨识模型的建立
• 4.1.1 使用直接测量法获取 EPS 助力电机参数的问题
• 4.1.2 电机参数辨识的基本思路
• 4.1.3 辨识过程中优化方法的选择
• 4.2 应用遗传算法进行电机参数辨识的实现
• 4.2.1 电机参数辨识问题转化为遗传算法优化问题
• 4.2.2 遗传算法优化程序设计
• 4.3 辨识结果是否是真值的判定
• 4.4 仿真计算方案设计
• 4.4.1 模拟真实试验的仿真实验方案设计
• 4.4.2 用于辨识的电机运行数据的获取
• 4.4.3 用于优化的模型与目标函数
• 4.5 仿真结果与分析
• 4.5.1 电机参数辨识结果
• 4.5.2 辨识结果分析
• 第5章 电机参数辨识实验与结果分析
• 5.1 实验系统与实验方案
• 5.1.1 实验系统
• 5.1.2 实验方案
• 5.2 实验数据的获取及电机参数辨识
• 5.2.1 实验数据的获取
• 5.2.2 遗传算法电机参数辨识
• 5.3 电机参数辨识结果与分析
• 5.3.1 电机参数辨识结果
• 5.3.2 电机参数辨识结果的分析
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢