[发明专利]一种基于电阻辨识的磁悬浮分子泵定子温度监测系统及方法

权利要求书

1.一种基于电阻辨识的磁悬浮分子泵定子温度监测方法，利用一种基于电阻辨识的磁悬浮分子泵定子温度监测系统，其特征在于：该基于电阻辨识的磁悬浮分子泵定子温度监测系统包括以下部分：

DSP电路(1)：与电机信息接口电路(2)、磁轴承信息接口电路(3)、外设接口电路(4)以及通讯接口电路(5)相连接；DSP电路(1)在运行过程中通过通讯接口电路(5)与上位机进行通讯，接收控制指令并传输磁悬浮分子泵当前定子状态信息；DSP电路(1)能够通过外设接口电路(4)中的AD接口接收模拟指令，执行相应的操作，同时根据要求将相关指令通过DA接口和IO接口输出；温度监测系统运行过程中，DSP电路(1)会实时通过电机信息接口电路(2)接收磁悬浮分子泵系统电机的定子电流、定子电压和转子位置信息，根据该信息执行相应的辨识算法，估算出电机定子的绕组电阻，并利用该绕组材料与温度关系，得到当前电机定子的温度；DSP电路(1)同时会实时通过磁轴承信息接口电路(3)接收分子泵系统当前磁轴承的定子电流、定子电压信息，根据该信息执行相应的辨识算法，得到磁轴承定子相应绕组电阻，利用该绕组材料与温度关系，得到当前磁轴承定子的温度；

电机信息接口电路(2)：主要由电流接口电路、电压接口电路、位置传感器接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与DSP电路(1)中的DSP相连接，温度监测系统运行时，电机信息接口电路(2)将电机电流传感器、电压传感器的模拟信号和位置传感器的电平信号转换后输入给DSP电路(1)中的DSP处理器进行处理；

磁轴承信息接口电路(3)：主要由电流接口电路、电压接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与DSP电路(1)相连接，温度监测系统运行时，磁轴承信息接口电路(3)将磁轴承电流传感器和电压传感器的模拟信号转换后输入给DSP电路(1)中的DSP处理器进行处理；

外设接口电路(4)：主要由IO接口电路、DA接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与DSP电路(1)中的DSP连接，温度监测系统正常运行时，接收外部0～5V的模拟指令信息输入，同时可以通过DA接口将DSP电路(1)输出量转化为0～5V的模拟电压信号，此外可以通过IO接口接收外部0～24V的数字信号作为指令输入；

通讯接口电路(5)：主要由RS485接口、CAN接口和USB接口并行组成，各部分电路独立运行，与DSP电路(1)中的DSP相连接，温度监测系统正常运行时，可以通过配置使用USB和PC上位机相连接，而RS485接口和CAN接口主要作为总线系统与其他主机相连接，将上位机或主站的指令实时传输至DSP电路(1)的DSP中，并将定子状态信息实时上传；

所述温度监测方法的具体步骤为：

步骤(1)、上电启动后监测系统处于待机阶段，根据上位机等待系统指令；

步骤(2)、温度监测系统接收指令，开始执行温度估计算法，首先温度监测系统接收分子泵电机系统的三相电流，三相端电压以及当前转子位置信息，利用Clarke和Park变换，将电流和电压转换为dq坐标系下的电流与电压，然后利用基于自适应遗忘因子的递推最小二乘法来进行辨识，得到电机定子绕组的电阻值；其次温度监测系统在辨识完电机电阻后，开始接收分子泵磁轴承系统的各相绕组电流以及对应绕组的电压信息，直接计算得到磁轴承定子各相绕组的电阻；再次，根据辨识出的各相绕组电阻和温度的关系，通过估算得到当前时刻对应定子部分的温度；

所述的温度监测方法包括电机三相电阻估计算法、磁轴承各绕组电阻估计算法以及温度计算方法；

电机三相电阻估计算法，首先将电机端电压进行处理得到相电压，

其中u_AN，u_BN，u_CN为ABC三相的端电压，u_A，u_B，u_C为ABC三相的相电压；

使用Clarke变换将相电压和相电流分别变换至两相静止坐标系，

其中，u_α u_β为两相静止坐标系下的电压，u_A，u_B，u_C为ABC三相的相电压，i_α i_β为两相静止坐标系下的电流，i_A i_B i_C为ABC三相的相电流；

然后再通过Park变换换算至转子坐标系，最后可以得到，

和

其中，u_d u_q为转子旋转坐标系下的d q轴电压，u_α u_β为两相静止坐标系下的电压，i_α i_β为两相静止坐标系下的电流，i_d i_q为转子旋转坐标系下的d q轴电流；

已知电机在dq轴下的模型为：

以及

其中，u_d u_q为转子旋转坐标系下的d q轴电压，i_d i_q为转子旋转坐标系下的d q轴电流，L_d L_q为转子旋转坐标系下d q轴电感，R_s ω ψ_f分别为电机相电阻，转子的电角速度与转子磁链；

将上式进行离散化，令L＝L_d＝L_q可以得到：

其中，i_d(k)i_q(k)为第k时刻转子旋转坐标系下的d q轴电流，i_d(k-1)i_q(k-1)为第k-1时刻转子旋转坐标系下的d q轴电流，u_d(k-1)u_q(k-1)为第k-1时刻转子旋转坐标系下的d q轴电压，R L T ω ψ_f分别为相电阻、d q轴电感、采样周期、转子电角速度与转子磁链；

选择

令

其中，i_d(k)为第k时刻转子旋转坐标系下的d轴电流，i_d(k-1)i_q(k-1)为第k-1时刻转子旋转坐标系下的d q轴电流，u_d(k-1)为第k-1时刻转子旋转坐标系下的d轴电压，ω(k)为第k时刻的电角速度，R L T分别为相电阻、d q轴电感与采样周期；

可以得到辨识模型：

其中：

p(0)＝αI，

其中，a(k) b(k) a(k-1) b(k-1)分别为第k时刻与第k-1时刻的辨识值，K(k)为第k时刻的增益矩阵，μ为遗忘因子，y(k)为第k时刻的d轴电流，为第k-1时刻d轴电流与d轴电压组成的列向量，为的转置，p(k)为协方差阵，p(0)为p矩阵的初始值，I为单位矩阵，α为标量；

当辨识的电机电阻结果的差别ε＜0.0001，其中ε＝R(k)-R(k-1)，或者辨识迭代的次数m达到2000次，那么则认为该辨识算法辨识完成，其中，μ为遗忘因子，其大小直接决定了辨识结果的稳定性和准确性，μ越大则迭代精度提高，收敛速度降低，μ越小则迭代精度降低，收敛速度提高，基于此，在辨识过程中通过统计满足辨识误差范围ε＜0.0001的辨识迭代的次数，乘以反馈系数k来动态进行调整遗忘因子μ，如果辨识的电机电阻结果差别ε＞0.3·R(k-1)，那么则认为定子出现故障；

磁轴承绕组估计算法：磁轴承第x个绕组线圈电压公式如下，

其中，u_x为第x个绕组的电压，R_x为第x个绕组的电阻，L_x为第x个绕组的电感，i_x为第x个绕组的电流；

离散化之后，可以得到：

其中，u_x(k)为第x个绕组第k时刻的电压，R_x为第x个绕组的电阻，L_x为第x个绕组的电感，i_x(k) i_x(k-1)为第x个绕组第k时刻与第k-1时刻的电流，T为采样周期；

针对磁轴承线圈电阻直接进行求解计算，

令

那么可以得到：

其中，R_x(k)为估计得到的第x个线圈的电阻，u_x(k) u_x(k-1)为第x个绕组第k时刻与第k-1时刻的电压，i_x(k)，i_x(k-1)为第x个绕组第k时刻与第k-1时刻的电流，h(k) h(k-1)为第k时刻与第k-1时刻电流的微分，T为采样周期；

温度估计算法：电机定子线圈和磁轴承定子线圈采用的都是铜作为原材料，其电阻值和温度存在一定联系，根据相关公式进行估算，

R_s＝R₀·[1+α_Cu(T_s-T₀)]

上式中，铜的负温度系数α_Cu，R_s为绕组T_s温度对应的实际电阻，R₀为T₀温度对应的初始绕组电阻值；

则当前的温度Ts换算为：

其中，铜的负温度系数α_cu约为4.1×10^-3℃^-1；

该方法的实现具体过程为：

首先，DSP电路的DSP和电机信息接口电路(2)连接，接收电机绕组的相电流、端电压和位置传感器信息，然后通过自适应遗忘因子的递推最小二乘算法来进行电机相电阻参数辨识；

其次，电机三相电阻辨识完毕后，DSP电路的DSP和磁轴承信息接口电路(3)连接，接收磁轴承各个绕组的电流和对应电压，然后通过带有滤波的直接计算法得到磁轴承各相电阻值；

再次，得到三相电机相电阻以及磁轴承的径向磁轴承线圈和轴向磁轴承线圈绕组的电阻后，通过对照绕组材料铜的电阻值和温度的关系，通过计算得到电机定子绕组线圈的温度、磁轴承定子的两个径向磁轴承共八个线圈以及轴向磁轴承一个线圈的绕组温度；

最后，当系统完成电机温度监测后，会将历史电阻数据进行记录，根据该数据可以直接表明当前定子接触是否良好，实现了磁悬浮分子泵定子系统的温度和定子绕组状态监测。