基于MRAS的永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)研究

孟程　陳國(guó)平

【摘 要】永磁同步電機(jī)的有效控制需要可靠的轉(zhuǎn)子位置信息。為了解決使用機(jī)械傳感器的缺點(diǎn)，估算轉(zhuǎn)子位置的無傳感器技術(shù)已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)。本文研究了基于矢量控制的無傳感器控制技術(shù)原理和永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)無傳感器控制方法估計(jì)轉(zhuǎn)子速度和位置電機(jī)參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）進(jìn)行了研究。以永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行建模與仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】MRAS 永磁同步電機(jī) MATLAB仿真

1 引言

近幾年，國(guó)內(nèi)外的研究將永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制方法分為三種。首先是基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法；其次是基于各種觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法；最后是以高頻注入法為典型代表的基于電機(jī)非理想特性的算法。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用的場(chǎng)合不同。目前理論研究熱點(diǎn)主要集中在第二種。狀態(tài)觀測(cè)器法的實(shí)質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，這種方法具有穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)、適用面廣的特點(diǎn)。本文采用了基于參考自適應(yīng)（MARS）理論構(gòu)造的永磁同步電動(dòng)機(jī)無速度觀測(cè)器基礎(chǔ)上，運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體控制方案，論證出模型參考自適應(yīng)滑模控制具有快速的響應(yīng)和較強(qiáng)的魯棒性。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制的主要思想是提取可測(cè)量的物理量，然后再利用這些物理量通過適當(dāng)?shù)姆绞絹砉浪戕D(zhuǎn)子的速度和位置，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)模型建立

為了建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先進(jìn)行一下假設(shè)：三相繞組完全對(duì)稱；忽略了齒輪摩擦；不包括核心損耗。根據(jù)上面的假設(shè)，建立了永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的d、q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方程如下：

從方程（2），可以知道控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的控制從根本上取決于定制電流在d、q軸的分量。磁場(chǎng)定向控制（FOC）采用基于id=0，不僅由于其易執(zhí)行性，與此同時(shí)，這種控制方法可以有效地抑制由電樞反應(yīng)引起的退磁，并減少銅耗。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)控制，定子電流是獨(dú)立于轉(zhuǎn)子磁通的，并且系統(tǒng)簡(jiǎn)單具有良好的轉(zhuǎn)矩不變性能。由于id=0，磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與正交電流iq是成線性關(guān)系的，永磁同步電動(dòng)機(jī)可以看做直流電機(jī)。在SPMSM中，Ld=Lq=L，因此方程（1）和（2）可以寫成

建立了磁場(chǎng)定向控制dq坐標(biāo)系下。估計(jì)速度與給定素的相比，和差值通過PI控制器，然后可以計(jì)算出給定電流的轉(zhuǎn)矩分量iq。通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩電流分量的誤差PI控制器可以得出轉(zhuǎn)矩電壓uq。經(jīng)過坐標(biāo)變換后，電壓信號(hào)SVPWM生成PWM控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)逆變橋。因此，雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

3 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）方法

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的工作過程可以看成是參考模型與可調(diào)模型之間誤差的調(diào)整過程。參考模型方程如下：

4 仿真模型及結(jié)果

圖1為基于MRAS方法永磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。

給定的速度設(shè)定在1500rpm，電機(jī)為空載啟動(dòng)，在0.2后負(fù)載從0N*m增加到1N*m。仿真時(shí)間為0.4s。實(shí)際角度與估算角度比較圖2所示。

從波形可以得出這樣的結(jié)論：MRAS方法具有良好的精度，穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)誤差小于10rpm，約為0.6%。從電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)需要0.03s。突然加負(fù)載之后需要0.15s回到穩(wěn)定狀態(tài)。響應(yīng)迅速。

5 結(jié)語

本文采用了基于參考自適應(yīng)（MARS）理論構(gòu)造的永磁同步電動(dòng)機(jī)無速度觀測(cè)器基礎(chǔ)上，運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體控制方案。通過MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)表明，該控制方法提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤性能，具有良好的魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 伊進(jìn)田，李白雅，黃海. 基于模型參考自適應(yīng)控制的速度估計(jì)方法[J].自動(dòng)化與儀表，2008（3）：9-15.

[2] 李永東，張猛，肖曦等.永磁同步電機(jī)模型參考自適應(yīng)無速度傳感器控制方法[C].第十二屆，全國(guó)電氣自動(dòng)化與電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì).2004（12）：302-306.

[3] 朱自芳.全數(shù)字永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[M].廣州：華南理工大學(xué)，2008.

[4] 黃雷，趙光宙，賀益康.PMSM 的自適應(yīng)滑模觀測(cè)器無傳感器控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工

學(xué)版），2007（41）：1107-1110.

作者簡(jiǎn)介：孟程（1992—），男，江蘇東臺(tái)人，上海理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：電氣工程。