永磁同步电机的支持向量机模型的参数寻优

永磁同步电机的支持向量机模型的参数寻优

陈洪楷，覃华山，李百宇，兰忠键

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519000

摘要：本文建立了某型永磁同步电动机在整个工作范围内的热模型。根据输入输出测量原理，设计了实验装置，进行了一系列实验，获得了不同转速和转矩下电机的参数。提出了基于支持向量机算法的参数回归模型，并结合永磁同步电机的运行特性，建立了基于T-S模糊推理系统的参数计算模糊推理模型。

关键词：永磁同步电机；支持；向量机模型；参数寻优

引言：电机是一种重要的能量转换机械，其中永磁同步电机（PMSM）由于其转换效率高而被广泛应用于压缩机、电动汽车、水泵和工业机器人等领域。然而，工作温度往往成为其应用的制约因素，特别是在一些散热环境恶劣的特殊条件下，过热会导致各种不期望的现象甚至失效。例如，绝缘材料中的氧化过程可能会加速，最终导致介电性能的损失，轴承润滑油可能会变质或粘度过高，无法保持足够的油膜厚度。其他问题包括机械应力和机械元件热膨胀引起的几何变化。模型用于预测机器的温度参数，可用于改进机器设计或确定不同运行条件下的负载能力。

1.支持向量机模型

支持向量机（SVM）是解决回归或分类问题的一种流行的学习工具，它不依赖于样本数据的先验知识或回归函数结构。支持向量机理论上可以采用全局最优解。利用支持向量核函数将采样数据映射到高维空间，将非线性问题表示为线性形式，巧妙地解决了维数问题。支持向量机适用于永磁同步电机热模型的回归分析。永磁同步电机的损耗主要包括铜损耗、铁损耗和机械损耗。铜损耗是由流过绕组的电流产生的焦耳热引起的。铜损耗的表达式由Rafal给出。与感应电机相比，由于消除了转子损耗和非正弦磁通密度波形，铁损占总损耗的比例更大。研究人员已经发布了各种计算永磁同步电机铁损的模型。通过研究永磁同步电机的特性以及标准的d–q等效电路模型，绘制了整个电机工作包线的铁损图。通过理论推导公式计算铁耗。模型计算的热损失与实测数据吻合较好。对于永磁同步电机而言，机械损耗是由轴承的风阻、摩擦等因素引起的，这些因素只占损耗的一小部分，与转速和转矩成正比。在低速和转矩条件下，机械损失可以忽略不计，或占总损失的一定百分比。永磁同步电机是为工业机器人而设计的，一般都是一系列重复的复杂动作，因此电机的转速和转矩保持在各种工况下，这就意味着永磁同步电机的热模型相当复杂。随着永磁同步电机系统复杂度的增加，系统对参数的计算精度会下降，直至达到一个阈值，复杂度与精度是互斥的。采用模糊系统求解永磁同步电机的发热模型问题。^[1]

2.永磁同步电机的支持向量机模型的参数寻优

2,1特定值变化

信号发生器与电机驱动器一起构成电机控制单元，永磁同步电机由电机驱动器驱动，其控制信号由信号发生器产生。电压和电流传感器与转矩传感器一起构成数据采集和处理单元，用于采集转速和转矩。直流发电机，电阻组并联，直流电源构成直流发电机负载，电阻组作为负载消耗直流发电机产生的电能，如果电阻组仅由控制开关接通或切断，而不需要辅助直流电源，当永磁同步电机转速固定时，通过直流发电机的电流可以调节到几个特定值。在辅助直流电源的作用下，通过直流发电机的电流可以调节到不同的值，实现了对永磁同步电机转矩的调节。电压传感器的测量范围为0～400V，最大不确定度为1%。电流测量范围为0～0.72A，最大不确定度为1%。转矩传感器的测量范围为0～10nm，转速传感器的测量范围为0～3000转/分（rpm），其最大不确定度分别为0.1%和0.1%，因此输入电功率的最大不确定度为3.72W在转速为3000rpm和扭矩为0.551nm时，输出机械功率分别为0.5W和3.15W。
按照以下步骤进行热损失测量实验：首先，将计算机、电机驱动、数据采集单元、信号发生器、霍尔传感器等设备通电，准备数据采集软件进行数据采集。其次，通过嵌入电机驱动器中的电机调速板将电机转速调节到一定值，信号发生器产生电机调速板的输入信号，然后记录电压和电流进行输入功率计算，记录转矩和转速进行输出功率计算输出机械功率计算。第三，完成整个额定转速和转矩范围内的所有工况后，实验结束，剩下的是数据处理工作。^[2]

2,2预测参数

仅仅依靠SWM结构和材料信息很难建立精确的模型来预测永磁同步电机的参数。当永磁同步电机在特定的运行条件下（如额定转速和转矩）工作时，该系数可以看作是常数。回归模型简洁，用最小二乘法求系数容易。^[3]然而，当操作条件改变时，系数不是常数。如：1）永磁同步电机在高速大转矩下工作时，转子绕组温度会升高。根据（10），转子绕组的内阻会导致铜损耗的增加。2）永磁同步电机低速运行时，风阻损失可以忽略不计，摩擦损失与转速成正比。随着转速的增加，风阻损失不可忽略，摩擦损失与转速的平方、立方甚至四次方成正比。3）永磁同步电机在大转矩下工作时，绕组电流引起的漏磁场和高频电流引起的谐波磁场会在定子、转子绕组和电机结构中产生过大的损耗。4）永磁同步电机在高速工作时，交变磁场具有较高的频率，涡流的作用导致磁芯截面磁场不再均匀，此时集肤效应增大了磁滞损耗，同时也降低了涡流损耗。

^[4]

结束语：综上所述，本文对两种模型的参数结果进行了分析和比较，两种功率模型都能很好地预测永磁同步电机的参数。

参考文献：

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[2]韩雪岩,宋聪.基于磁热耦合法车用永磁同步电机温升计算及影响因素的研究[J].电机与控制学报,2020,24(2):28-35. DOI:10.15938/j.emc.2020.02.004.

[3]王伟然,吴嘉欣,张懿, 等.永磁同步电机模糊自整定自适应积分反步控制[J].电工技术学报,2020,35(4):724-733. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181903.

[4]孙宇航,姚文熙,吕征宇.基于电流估算的永磁同步电机伺服控制系统设计[J].微特电机,2020,48(2):29-33. DOI:10.3969/j.issn.1004-7018.2020.02.008.