一种复合转子永磁同步电动机集中控制系统及方法与流程

本发明涉及永磁电机控制，尤其涉及一种复合转子永磁同步电动机集中控制系统及方法。

背景技术：

1、随着种植业和养殖业的结构调整与优化，大型种植业和大型养殖业发展迅猛，所需的场地面积也越来越大，并且多为封闭空间，需要通过换气扇来保证空间内的温度和湿度处于适宜范围，并保障空气的流通。目前，大棚或养殖场等农业空间内往往需要布设几十到几百甚至上千个换气扇，每个换气扇都需要通过电机进行驱动，每个电机又需要配备一个驱动器来进行驱动。因此要驱动数量巨大的换气扇，则需要在农业空间内布设大量的驱动器，极大程度上增加了能耗和成本。

2、为了减少能耗和成本，目前多采用通过智能检测农业空间内的温度、湿度等信息，有选择地开启部分换气扇或者调整换气扇转速的方式。但这种方式仍是治标不治本，无法从根本上减少驱动器的数量。因此，如何实现通过同一个驱动器同时驱动多个电机，成为降低大型农业空间内换气能耗和成本的关键。而要实现同一个驱动器同时驱动多个电机，则需要对电机进行结构上的改进，特别是在永磁电机得到广泛使用之后，若对结构较为复杂的永磁电机进行结构改进，那么如何保证结构改进后的永磁电机运行的安全性以及高效性也是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种复合转子永磁同步电动机集中控制系统及方法，用于解决如下技术问题：目前的换气扇控制方式未实现一个驱动器同时驱动多个永磁电机，浪费能耗问题未得到根本的解决；并且无法保证结构改进后的永磁电机的运行安全性及高效性。

2、本发明实施例采用下述技术方案：

3、一方面，本发明实施例提供了一种复合转子永磁同步电动机集中控制系统，系统包括：驱动器以及复合转子永磁同步电动机；一个驱动器连接并驱动一组复合转子永磁同步电动机；所述复合转子永磁同步电动机至少包括：笼型绕组、转子铁芯以及永磁体；所述笼型绕组安装于所述转子铁芯与所述永磁体之间，用于在复合转子永磁同步电动机运行时产生附加转矩，以将同组复合转子永磁同步电动机的转子铁芯与定子之间的旋转磁场调节到同步状态。

4、另一方面，本发明实施例还提供了一种复合转子永磁同步电动机集中控制方法，方法包括：构建复合转子永磁同步电动机的仿真系统模型，并通过所述仿真系统模型进行运行数据采样，得到运行参数数据集；

5、通过所述运行参数数据集，训练构建的控制电压优化模型；

6、获取同组复合转子永磁同步电动机的实时运行参数，输入所述控制电压优化模型中，得到最优控制电压值，并发送到该组复合转子永磁同步电动机对应的驱动器；

7、根据同组复合转子永磁同步电动机的最优控制电压值以及实时运行参数，预测预设时间段内的电机部件温度；

8、根据所述电机部件温度，对每组复合转子永磁同步电动机进行统一的安全监控。

9、在一种可行的实施方式中，构建复合转子永磁同步电动机的仿真系统模型，并通过所述仿真系统模型进行运行数据采样，得到运行参数数据集，具体包括：

10、基于matlab建立复合转子永磁同步电动机的仿真系统模型；所述仿真系统模型为离散模型；

11、设置所述仿真系统模型的仿真参数；其中，所述仿真参数至少包括：参考转速范围以及负载转矩范围；

12、通过永磁同步电动机预测转矩控制模型，对所述仿真参数进行最优电压矢量计算，得到所述仿真参数对应的最优施加电压；

13、通过所述仿真参数以及所述最优施加电压驱动所述仿真系统模型，以进行若干组仿真试验，并基于预设采样周期收集仿真试验过程中的预设输入参数以及预设输出参数，构成运行参数数据集；

14、其中，所述预设输入参数至少包括：参考转矩、附加转矩、定子磁链幅值、定子磁链角以及转矩角；所述预设输出参数为所述最优施加电压。

15、在一种可行的实施方式中，通过永磁同步电动机预测转矩控制模型，对所述仿真参数进行最优电压矢量计算，得到所述仿真参数对应的最优施加电压，具体包括：

16、将所述仿真参数输入所述永磁同步电动机预测转矩控制模型的电机转矩预测方程中，得到电机预测转矩；

17、获取逆变器产生的若干个备选电压矢量；

18、计算每个备选电压矢量施加在复合转子永磁同步电动机上产生的定子磁链值；

19、根据所述电机预测转矩以及所述定子磁链值，计算所述永磁同步电动机预测转矩控制模型的成本函数；

20、将成本函数最小的备选电压矢量确定为所述最优施加电压。

21、在一种可行的实施方式中，在基于预设采样周期收集仿真试验过程中的预设输入参数以及预设输出参数，构成运行参数数据集之后，所述方法还包括：

22、设置所述仿真系统模型的动态仿真参数；其中，所述动态仿真参数至少包括：参考转速范围、转速阶跃幅度、每种转速阶跃幅度下的负载转矩；

23、通过所述动态仿真参数驱动所述仿真系统模型，以进行若干组动态仿真试验，并基于预设采样周期收集动态仿真试验过程中的预设动态输入参数以及预设动态输出参数，构成动态运行参数数据集；

24、将所述动态运行参数数据集补充到所述运行参数数据集中，得到综合的运行参数数据集。

25、在一种可行的实施方式中，通过所述运行参数数据集，训练构建的控制电压优化模型，具体包括：

26、构建包含5个隐含层的神经网络，并将线性修正单元函数relu作为各隐含层的激活函数；将所述神经网络与输入层和输出层共同构建为所述控制电压优化模型；

27、对所述运行参数数据集中的数据进行标准化处理，使其满足均值为0和方差为1的正态分布，并按照预设比例划分为训练集和测试集；

28、通过所述训练集，训练所述控制电压优化模型，并通过所述测试集对每次训练后的模型进行准确率测试，测试通过后，得到训练完成的控制电压优化模型；其中，所述控制电压优化模型的输入参数包括：参考转矩、附加转矩、定子磁链幅值、定子磁链角以及转矩角；输出参数为最优控制电压值。

29、在一种可行的实施方式中，在得到最优控制电压值，并发送到该组复合转子永磁同步电动机对应的驱动器之后，所述方法还包括：

30、获取所述复合转子永磁同步电动机的额定参数与所述最优控制电压值之间的关系，构建非线性的载波切换曲线；其中，所述额定参数包括：额定电压、额定电流、额定转速区间以及额定转矩值；

31、根据所述载波切换曲线，确定最大调制度，并将所述最大调制度确定为调制系数并应用于所述复合转子永磁同步电机，以提升电压使用率。

32、在一种可行的实施方式中，根据同组复合转子永磁同步电动机的最优控制电压值以及实时运行参数，预测预设时间段内的电机部件温度，具体包括：

33、根据所述复合转子永磁同步电动机的构成部件，构建对应的建模节点；其中，所述建模节点包括转子铁芯节点、笼型绕组节点、隔磁体节点以及永磁体节点；

34、确定建模节点之间的热传递关系，构建所述复合转子永磁同步电动机的热传递模型；

35、在所述预设时间段内，获取所述复合转子永磁同步电动机的实时运行参数；其中，所述实时运行参数至少包括：转子转速、转子转矩、附加转矩以及摩擦力矩；

36、根据所述实时运行参数以及所述最优控制电压值，计算预设时间段内每一时刻各构成部件的实时损耗参数；其中，所述各构成部件的实时损耗参数包括：定子损耗、转子摩擦损耗、笼型绕组损耗、永磁体涡流损耗以及轴承损耗；

37、将所述实时损耗参数输入所述热传递模型中，得到预设时间段内的电机部件温度。

38、在一种可行的实施方式中，在将所述实时损耗参数输入所述热传递模型中，得到预设时间段内的电机部件温度之后，所述方法还包括：

39、根据，对所述电机部件温度进行更新，得到t时刻的最优温度预测值；其中，为t时刻的电机部件温度，为卡尔曼增益，为t时刻的量测矩阵，为雅可比矩阵；

40、将所述电机部件温度更新为所述最优温度预测值。

41、在一种可行的实施方式中，根据所述电机部件温度，对每组复合转子永磁同步电动机进行统一的安全监控，具体包括：

42、根据预测出的电机部件温度，绘制每组复合转子永磁同步电动机中每个电机部件的温度变化曲线；

43、在所述温度变化曲线中任一点的纵坐标值高于对应的温度阈值时，进行超温预警；其中，所述温度阈值小于永磁体的去磁温度阈值；

44、在所述预设时间段内，确定所述温度变化曲线中纵坐标值首次达到第一预设阈值的时间节点；在所述时间节点处，启动所述复合转子永磁同步电动机的水冷散热结构，并获取所述水冷散热结构的水冷散热功率；

45、将所述水冷散热功率代入所述热传递模型中，参与电机部件温度的计算。

46、与现有技术相比，本发明实施例提供的一种复合转子永磁同步电动机集中控制系统及方法，具有如下有益效果：

47、首先，本发明提出了一种基于复合转子的永磁同步电动机，在传统的永磁同步电动机中增加了笼型绕组。当多台永磁电动机并联运行时，由于每个电机转子的初始位置不同，在起动运行时永磁体产生的反电动势相位也就不同，变频器无法同时满足每一台电机的输入反馈要求。而增加了笼型绕组后，当定子旋转磁场转速高于或低于转子旋转速度即两者不“同步”时，在笼型绕组中会产生感应电流，感应电流产生的转矩会把转子“拉”回到跟定子旋转磁场转速、相位相同的运行状态上来。这样，驱动器只相当于一个电源，可以同时驱动多台永磁同步电动机并且保持转速同步，改变驱动频率就可以改变电动机的同步转速。使用v/f变频器就可以同时对多台永磁同步电机进行控制。

48、然后，为提升改进后的复合转子永磁同步电动机的电压使用效率，本发明通过神经网络技术，在将笼型绕组产生的附加转矩考虑进去的基础上，对永磁同步电动机进行最优电压矢量的选择，并通过扩充动态数据，解决了因静态数据失衡引起的系统失控问题。本发明将计算量大、实时性较差的遍历寻优计算转换为线下的神经网络推算，以满足永磁同步电动机的运行实时性和高效性要求。

49、最后，为保证一台驱动器同时驱动多台复合转子永磁同步电动机的安全性，本发明提出了一种温度监控方法，由于同一组复合转子永磁同步电动机的各项运行参数均相同，因此本发明对同一组复合转子永磁同步电动机进行统一的温度安全监控，能够减少监控工作量、提升安全监控效率。