一种基于数字孪生的永磁体状态监测方法

本发明属于交流电机驱动系统可靠性评估，具体涉及一种基于数字孪生的永磁体状态监测方法。

背景技术：

1、在“碳达峰”和“碳中和”目标引领下，契合绿色低碳发展理念的永磁牵引传动系统已成为城市轨道交通系统的重点发展方向。作为城轨列车的核心动力来源，永磁牵引传动系统的可靠运行是城轨交通绿色发展的有效保证。

2、在永磁同步电机驱动系统中，永磁体磁链是实现转矩性能维持的关键参数。然而，受大功率工况持续运行、地下隧道密闭空间以及全封闭电机结构的影响，加之在牵引/制动模式切换频繁、负载多变等非平稳工况的长期作用下，永磁体温度显著上升，使得永磁同步电机驱动系统面临退磁故障的严峻挑战。永磁体退磁故障导致永磁同步电机驱动系统出现双重恶性循环，加快电机工作温度上升和永磁体退磁进程，甚至会造成电机损坏、列车动力损失，严重威胁城轨列车的安全可靠运行。

3、在众多永磁体状态监测方法中，基于电机模型的永磁体状态监测方法以其原理简单、易于实现等优点广受欢迎。然而，这种方法依赖于电机参数，导致该方法鲁棒性不高。当电机参数发生变化后，该方法的监测精度显著下降。此外，该方法对复杂工况的适应性不强，当运行工况发生变化，该方法的监测性能同样会受到显著影响。

技术实现思路

1、鉴于现有基于电机模型的永磁体状态监测方法的不足，本发明提供一种基于数字孪生的永磁体状态监测方法。

2、本发明的一种基于数字孪生的永磁体状态监测方法，包括以下步骤：

3、步骤1：建立永磁同步电机数字孪生模型。

4、依据永磁同步电机的铭牌参数，利用matlab/simulink建立永磁同步电机数字孪生模型，利用粒子群优化(particle swarm optimization,pso)进行参数优化，具体步骤如下：

5、s1.1：粒子速度和位置的初始化：根据待优化参数(如：永磁同步电机驱动系统的控制参数和机械参数)的个数，确定粒子的维度；进一步，在解空间中随机初始化每个粒子的初始位置与初始速度。

6、s1.2：适应值函数的求解。

7、构建适应值函数为：

8、

9、式中：isam、isbm、iscm为测量的三相电流，isa、isb、isc为孪生模型的三相电流，n为数据点个数。

10、采集实际永磁同步电机的三相电流，并根据式(1)，对每个粒子的适应值函数进行求解。

11、s1.3：群体最优解与全局最优解确定：根据每个粒子的适应值函数值，记录本次迭代的群体最优解与全局最优解，即：使适应度值函数最小的粒子位置。

12、s1.4：粒子的速度和位置更新：在确定群体最优解与全局最优解后，根据粒子的初始速度、其对最优解的认知和其他粒子对最优解的认知更新粒子的速度和位置；每次迭代中，每个粒子的速度、位置更新公式为：

13、

14、式中：k是迭代次数，vk和vk-1是第k次和k-1次迭代的速度；xk和xk-1是第k次和k-1次迭代的位置；xpbest,k-1表示该粒子在第k-1次迭代之前的最佳位置；xgbest,k-1表示全局粒子在第k-1次迭代之前的最佳位置；c1是个体学习因子，其值越大，粒子就越倾向于选择个体的最佳位置；c2是社会学习因子，其值越大，粒子选择全局最优位置的可能性就越大；ωp是惯性权重，其值越大，意味着粒子更倾向于保持其原来的速度和方向，探索没有出现的位置；r1和r2是[0,1]上的随机数。

15、s1.5：迭代终止：重复上述过程，直到达到最大迭代次数，就终止迭代，输出优化好的数字孪生模型。

16、s1.6：孪生模型精度验证：在得到优化好的数字孪生模型后，考虑到三相电流能够表征永磁同步电机的特性且易于测量，采集实际永磁同步电机的三相电流和数字孪生模型输出的三相电流，对模型精度进行验证。

17、步骤2：永磁体状态监测的具体实现。

18、s2.1：粒子速度和位置的初始化：将永磁同步电机的定子电阻、d轴电感、q轴电感以及永磁体磁链视为待优化参数，确定粒子的维度；进一步，对每个粒子的初始位置与初始速度进行随机初始化。

19、s2.2：适应值函数计算：根据数字孪生模型提供的三相电流和测量的三相电流，对适应值函数进行计算。

20、s2.3：粒子的速度和位置迭代优化：根据所计算的适应值函数值，利用粒子群优化算法对每个粒子的速度和位置进行迭代优化。

21、s2.4：永磁体磁链辨识：在得到优化好的数字孪生模型后，提取辨识的永磁体磁链，从而实现永磁体状态的有效监测。

22、本发明和现有技术相比的有益技术效果为：

23、一、本发明仅需要铭牌参数和三相电流信息，并采用粒子群优化算法，构建适用于永磁体状态监测的数字孪生模型，易于实现且计算负担小。

24、二、本发明构建的数字孪生模型不受工况变化和电机参数变化的影响，鲁棒性较高。

25、三、本发明所构建的数字孪生模型可同时辨识定子电阻、d轴电感、q轴电感以及永磁体磁链，显著提升辨识精度，有效解决了基于电机模型的状态监测方法欠秩的问题。

26、四、本发明所研究的永磁体状态监测方法对于不同类型的永磁同步电机均有较好的适应性，同时状态监测精度较高。此外，该方法具有很好的通用性，还可以移植到其它交流电机的状态监测方法中。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的永磁体状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于数字孪生的永磁体状态监测方法，具体为：根据永磁同步电机的铭牌参数，搭建永磁同步电机的数字孪生模型；进一步，利用粒子群优化方法对永磁同步电机控制参数和机械参数进行优化，得到优化的数字孪生模型；随后，采集实际永磁同步电机驱动系统的三相电流，并与数字孪生模型输出的三相电流进行对比，对模型精度进行验证；在此基础上，将永磁同步电机的定子电阻、d轴电感、q轴电感以及永磁体磁链视为待优化参数，结合所构建的数字孪生模型，实现永磁体运行状态的准确监测。本发明方法易于实现，计算负担小，不受电机参数变化的不利影响，监测精度较高，并且适用于不同类型的永磁同步电机驱动系统，解决了现有技术的问题。

技术研发人员：王惠民,左运,王砚冰,林春旭,葛兴来
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/13