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1、(10)申请公布号 CN 102629848 A (43)申请公布日 2012.08.08 C N 1 0 2 6 2 9 8 4 8 A *CN102629848A* (21)申请号 201210124559.6 (22)申请日 2012.04.26 H02P 21/14(2006.01) (71)申请人江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人杨泽斌 孙晓东 李可 黄振跃 张新华 (74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人楼高潮 (54) 发明名称 一种无轴承异步电机无速度传感器构造方法 (57) 摘要 本发明公开了一种无轴。
2、承异步电机无速度传 感器构造方法，先对无轴承异步电机原系统构造 内含转速子系统，再建立内含转速子系统的无轴 承异步电机转速左逆系统，然后采用支持向量机 加2个微分器S构成支持向量机逆，对支持向量机 进行训练，调整并确定支持向量机的各个权系数 以实现无轴承异步电机转速左逆系统；最后将支 持向量机逆串接于无轴承异步电机原系统之后构 造成无速度传感器；基于支持向量机左逆的无轴 承异步电机无速度传感器控制策略，省略了原控 制系统的机械式速度传感器及其接口电路，从而 降低了控制系统的成本，而且在全速范围内能快 速准确地进行转速辨识，具有很强的适应性、容错 性和鲁棒性。 (51)Int.Cl. 权利要求书。
3、1页 说明书4页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种无轴承异步电机无速度传感器构造方法，其特征是采用如下步骤： 1）对无轴承异步电机原系统（11）构造内含转速子系统（12），无轴承异步电机原系 统（11）的输入变量是转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q 和同步转速 1 ，输出变量是转矩绕组 的定子电流i s1d 和i s1q ；内含转速子系统（12）的输入变量是待测转速 r ，7个输出变量是 转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q 、定子电流i s1d 、i s1q 、同步转度。
4、 1 以及定子电流的一阶导数 、； 2）建立内含转速子系统（12）的无轴承异步电机转速左逆系统（2），无轴承异步电机转 速左逆系统（2）的输入为内含转速子系统（12）的所述7个输出变量，输出为待测转速 r ； 3）采用7个输入节点、1个输出节点的支持向量机（31）加2个微分器S构成支持向量 机逆（32），支持向量机逆（32）的输入分别为所述转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q 、定子电流 i s1d 、i s1q 和同步转速 1 ，输出为待测转速 r ； 4）对支持向量机（31）进行训练，调整并确定支持向量机（31）的向量系数和阈值，以实 现无轴承异步电机转速左逆系统（2）； 5）将支持。
5、向量机逆（32）串接于无轴承异步电机原系统（11）之后构造成无速度传感 器。 2.根据权利要求1所述的一种无轴承异步电机无速度传感器构造方法，其特征是：步 骤3）中支持向量机（31）的第一、第二、第三个输入分别是支持向量机逆（32）的第一、第二、 第三个输入；支持向量机（31）的第三个输入经一微分器S的输出为支持向量机（31）的第 四个输入，支持向量机（31）的第五个输入是支持向量机逆（32）的第四个输入，支持向量机 （31）的第五个输入经另一微分器S的输出为支持向量机（31）的第六个输入，支持向量机 （31）的第七个输入是支持向量机逆（32）的第五个输入；支持向量机（31）的输出是支持向 量。
6、机逆（32）的输出。 3.根据权利要求1所述的一种无轴承异步电机无速度传感器构造方法，其特征是：步 骤4）中支持向量机（31）的向量系数和阈值的确定方法为：先将转矩绕组的定子电压u s1d 、 u s1q 、定子电流i s1d 、i s1q 和同步转速 1 信号加在无轴承异步电机原系统（11）的输入端，采 集待测转速 r ；再将定子电流i s1d 、i s1q 离线分别求其一阶导数，组成支持向量机的训练样 本集；并选取高斯核函数作为支持向量机（31）的核函数，设定正则化参数为800，核宽度为 1.62，对支持向量机（31）进行训练，从而确定支持向量机（31）的向量系数和阈值。 权 利 要 求 。
7、书CN 102629848 A 1/4页 3 一种无轴承异步电机无速度传感器构造方法 技术领域 0001 本发明是一种基于支持向量机左逆的无轴承异步电机无速度传感器构造方法，为 无轴承异步电机的无速度运行提供了一种新控制策略，适用于无轴承异步电机的高性能控 制，属于电力传动控制设备的技术领域。 背景技术 0002 无轴承异步电机的高性能控制离不开转速的闭环控制，从而需要检测转子的速 度，传统电机转子速度采用机械式速度传感器来检测，存在安装、连接和可靠性等问题。对 无轴承异步电机而言，使用机械式速度传感器有更大局限性，因为传感器本身在机械上难 以实现电机高速、超高速运行，从而严重限制无轴承异步电。
8、机优良高速性能的发挥。因此， 无速度传感器技术成为解决无轴承异步电机这一问题的有效手段。 0003 对于无轴承异步电机的无速度传感器运行，目前才刚刚起步，主要有采用模型参 考自适应法策略对无轴承异步电机无速度传感器运行进行研究，实现转子速度和定子电阻 在线辨识，进行了仿真研究；采用参数辨识方法配合灰色系统理论对转子位置和转速进行 辨识，实现了无轴承永磁电机无速度传感器运行。这些速度辨识方法都没有考虑高速运行 时转子偏心、磁饱和、温升及负载变化等因素影响，并未真正实现转速参数准确在线辨识。 基于神经网络逆系统的无速度传感器方法利用静态神经网络对非线性函数的强大逼近能 力，突破逆系统在实现或应用中。
9、的瓶颈，但是神经网络自身存在局部极点小、过学习、运算 量大等缺陷，限制了神经网络逆方法的进一步应用，也影响了其控制性能。 发明内容 0004 本发明目的是为了能在全速范围内快速准确检测无轴承异步电机的转速，实现无 轴承异步电机无速度传感器运行，提高无轴承异步电机工作性能，推广无轴承异步电机的 应用而提供一种无轴承异步电机无速度传感器构造方法。 0005 本发明采用的技术方案是：1）对无轴承异步电机原系统构造内含转速子系统，无 轴承异步电机原系统的输入变量是转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q 和同步转速 1 ，输出变量 是转矩绕组的定子电流i s1d 和i s1q ；内含转速子系统的输入。
10、变量是待测转速 r ，输出变量 是转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q 、定子电流i s1d 、i s1q 、同步转度 1 以及定子电流的一阶导数 、；2）建立内含转速子系统的无轴承异步电机转速左逆系统，无轴承异步电机转速左 逆系统的输入为内含转速子系统的7个输出变量、输出为待测转速 r ；3）采用7个输入节 点、1个输出节点的支持向量机加2个微分器S构成支持向量机逆，支持向量机逆的输入分 别为定子电压u s1d 、u s1q ，定子电流i s1d 、i s1q 和同步转速 1 ，输出为待测转速 r ；4）对支持 向量机进行训练，调整并确定支持向量机的向量系数和阈值以实现无轴承异步电机转。
11、速左 逆系统；5）将支持向量机逆串接于无轴承异步电机原系统之后构造成无速度传感器。 0006 本发明的有益效果是： 1本发明给出了左逆系统与支持向量机相结合的方法，利用支持向量机对非线性函数 说 明 书CN 102629848 A 2/4页 4 的强大逼近能力，突破逆系统在实现或应用中的瓶颈。采用的支持向量机是在工业工程中 建立非线性模型的一个强有力工具，可以以任意精度逼近任意复杂的静态非线性映射（函 数），具有较强的泛化能力和自适应能力，而且可以自学习和自适应未知或不确定的系统。 0007 2无速度传感器构造方法中所需的输入信号均为实际工程中容易获得的本地直 接可测量的变量，支持向量机逆本身。
12、可通过软件编程实现。采用本发明无速度传感器，省略 了原系统的光电编码器及其接口电路，不需要对无轴承异步电机系统进行其它任何改动， 实现费用低，安全可靠，易于工程实现。 附图说明 0008 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 图1是由无轴承异步电机原系统11构造内含转速子系统12的示意图； 图2是由内含转速子系统12与无轴承异步电机转速左逆系统2组成的检测转速的原 理图； 图3是支持向量机逆32的构成图； 图4是支持向量机逆32与无轴承异步电机原系统11串接关系示意图。 具体实施方式 0009 参见图4，本发明首先基于无轴承异步电机原系统11的数学模型建立内含转速子 系统12的。
13、数学模型，该内含转速子系统12的输入量与输出量之间满足无轴承异步电机原 系统11数学模型所确定的变量约束关系；接着建立内含转速子系统12的逆模型，即无轴承 异步电机转速左逆系统2；再采用7个输入节点、1个输出节点的支持向量机31和2个微分 器S构成具有5个输入节点、1个输出节点的内含转速子系统12的支持向量机逆32；并通 过调整支持向量机31的向量系数和阈值，使支持向量机逆32实现无轴承异步电机转速左 逆系统2的功能；最后将支持向量机逆32串接于无轴承异步电机原系统11之后构造成无 速度传感器，即可实现对无轴承异步电机的转速的在线实时检测。具体实施依次分为以下 5步： 1、建立内含转速子系统1。
14、2的数学模型 参见图1，无轴承异步电机原系统11的3个输入变量是可测转矩绕组的定子电压u s1d 、 u s1q 和同步转速 1 ，该定子电压u s1d 、u s1q 和同步转速 1 为直接可测变量；2个输出变量是 可测的转矩绕组的定子电流i s1d 和i s1q 。内含转速子系统12的1个输入变量是转速 r ，转 速 r 是无轴承异步电机的待测转速；7个输出变量是可测转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q 、 定子电流i s1d 、i s1q 、同步转度 1 以及可测变量定子电流的一阶导数、。 0010 对无轴承异步电机原系统11构造内含转速子系统12的数学模型，对采用电压控 制PWM逆。
15、变器供电的无轴承异步电机原系统11，在转矩绕组转子磁链定向的旋转d-q坐标 系下转矩绕组的数学模型为： （1-1） 说 明 书CN 102629848 A 3/4页 5 （1-2） （1-3） （1-4） 式中，L m1 、L r1 、L s1 、R r1 、R s1 、p 1 分别为无轴承异步电机转矩绕组的互感、转子和定子自感、 转子和定子电阻、极对数； r1d 、 r1q 、i s1d 、i s1q 、u s1d 、u s1q 分别为转矩绕组的d轴和q轴转子 磁链、d轴和q轴定子电流、d轴和q轴定子电压；J、 1 、 r 分别为转动惯量、同步转速、转 速；T r =L r1 /R r1 ；。
16、 =1- L 2 m1 /(L s1 L r1 )。这样，式（1-1）（1-4）所示的数学模型中存在内含 转速子系统12的输入是转速 r ，输出是直接可测变量i s1d 、i s1q 。 0011 参见图2，为了检测待测的转速 r ，当内含转速子系统12可逆条件成立时，将无 轴承异步电机转速左逆系统2串接在该内含转速子系统12之后，无轴承异步电机转速左逆 系统2的7个输入是u s1d 、u s1q 、i s1d 、i s1q 、及 1 ，输出是 r ，即可得到恒等表达式，这 样无轴承异步电机转速左逆系统2的输出能够完全复制该内含转速子系统12的输入。 0012 依据上述内含转速子系统12的数学。
17、模型的构造方法，选取式（1-1）和式（1-2）作 为内含转速子系统12的数学模型。 0013 2、建立内含转速子系统12的逆模型，即无轴承异步电机转速左逆系统2。 0014 根据反函数存在定理，可以用常规的证明方法证明式（1-1）和式（1-2）所表示的 内含转速子系统12是可逆的，且内含转速子系统12的无轴承异步电机转速左逆系统2的 逆模型可用如下的非线性函数表示： （2-1） 并确定内含转速子系统12的逆模型的7个输入为无轴承异步电机的转矩绕组的定子 电压u s1d 、u s1q ，定子电流i s1d 、i s1q 以及定子电流的一阶导数、和同步转速 1 ，1个输 出为转速 r 。 0015。
18、 需要说明的是，式（2-1）非线性函数的求解可以跳过，此式是为支持向量机逆32 的构造与学习训练提供方法上的根据，从而可以构造出如图3所示的支持向量机逆32。 0016 3、采用支持向量机31和2个微分器S来构造支持向量机逆32 参见图3，采用具有7个输入节点、1个输出节点的支持向量机31加2个微分器S构成 具有5个输入节点、1个输出节点的支持向量机逆32。支持向量机逆32的5个输入分别是 无轴承异步电机的转矩绕组的定子电压u s1d 、u s1q ，定子电流i s1d 、i s1q 和同步转速 1 ，1个输 出为待测转速 r 。支持向量机31的输入节点数为7，输出节点数为1，选取高斯核函数为。
19、 支持向量机的核函数，支持向量机31的向量系数和阈值将在下一步训练中确定。 0017 支持向量机31的第一、二、三个输入分别是支持向量机逆32的第一、二、三个输 入；其中支持向量机31第三个输入经一个微分器S的输出为支持向量机31的第四个输入； 说 明 书CN 102629848 A 4/4页 6 支持向量机31的第五个输入是支持向量机逆32的第四个输入，其经另一个微分器S的输 出为支持向量机31的第六个输入；支持向量机31的第七个输入是支持向量机逆32的第五 个输入。支持向量机31与两个微分器S一起组成支持向量机逆32，支持向量机31的输出 就是支持向量机逆32的输出。 0018 4、调整并。
20、确定支持向量机31的向量系数和阈值 先将激励信号，即定子电压u s1d 、u s1q ，定子电流i s1d 、i s1q 和同步转速 1 信号加在无轴 承异步电机原系统11的输入端，采集无轴承异步电机的待测转速 r ；再将无轴承异步电 机的转矩绕组的定子电流i s1d 、i s1q 离线分别求其一阶导数，并对信号做规范化处理，组成支 持向量机的训练样本集u s1d ，u s1q ，i s1d ，i s1q ， 1 ， r ；最后，支持向量机的正则化 参数设定为560，核宽度设定为1.4，从而离线调整支持向量机的向量系数和阈值，使支持 向量机逆32实现无轴承异步电机转速左逆系统2的功能。 0019 5、将支持向量机逆32串接于无轴承异步电机原系统11之后即构造成无速度传感 器，实现对无轴承异步电机的转速的在线实时检测，参见图4。 0020 根据以上所述，便可以实现本发明。 说 明 书CN 102629848 A 1/3页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102629848 A 2/3页 8 图3 说 明 书 附 图CN 102629848 A 3/3页 9 图4 说 明 书 附 图CN 102629848 A 。