基于模型參考自適應(yīng)的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

王圣朝 白阿偉 姜春霞

摘 要：設(shè)計了基于模型參考自適應(yīng)（Model Reference Adaptive System，MRAS）的永磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。通過對自適應(yīng)率的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了無速度傳感器電機(jī)控制，在MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建了仿真模型，仿真結(jié)果表明基于MRAS的無速度傳感器控制對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角有很好的辨識效果。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；MRAS；矢量控制

中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0054-02

Abstract： A sensorless vector control system for permanent magnet synchronous motor （PMSM） based on model reference adaptive system（MRAS） is designed. The speed sensorless motor control is realized by designing the adaptive rate， and the simulation model is constructed in MATLAB/Simulink environment. The simulation results show that the speed sensorless control based on MRAS has a good identification effect on the rotational speed and rotor position angle.

Keywords： permanent magnet synchronous motor （PMSM）； model reference adaptive system （MRAS）； vector control

1 概述

永磁同步電機(jī)具有其他電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高等，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的檢測方法多采用光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器，其對控制系統(tǒng)要求比較高，成本也較高，導(dǎo)致應(yīng)用場合與環(huán)境受到了限制。為了克服機(jī)械傳感器的這些弊端，無速度傳感器技術(shù)成為了電氣傳動研究領(lǐng)域的研究方向之一。

近年來許多學(xué)者對永磁同步電機(jī)的無速度傳感器控制進(jìn)行了一系列的研究，如通過電動機(jī)本體、感應(yīng)電動勢和磁鏈來計算速度；用模型參考自適應(yīng)原理來辨識速度；向電機(jī)注入特定的高頻電壓或電流信號等，以確定轉(zhuǎn)子位置從而檢測出轉(zhuǎn)速。本文以MRAS為基礎(chǔ)來估算電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 基本理論

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)是從20世紀(jì)50年代后期發(fā)展起來的，它屬于自適應(yīng)系統(tǒng)的一種類型。從結(jié)構(gòu)上MRAS可以分為可調(diào)模型、參考模型及自適應(yīng)律3個部分。MRAS的辨識思想是把不含有未知參數(shù)的表達(dá)式作為期望模型，而將含有待辨識參數(shù)的表達(dá)式用于可調(diào)模型，且兩個具有相同物理意義的輸出量，利用兩個模型的輸出量之差，通過合適的自適應(yīng)律來實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)參數(shù)的辨識。

3 參考模型和可調(diào)模型的確定

以表貼式永磁同步電機(jī)（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor，SPMSM）為研究對象，PMSM的dq軸數(shù)學(xué)模型滿足以下4個條件：（1）忽略電動機(jī)鐵心飽和；（2）不計磁滯和渦流損耗；（3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用；（4）繞組中感應(yīng)電動勢是正弦波。

5 基于MRAS的控制系統(tǒng)仿真分析

5.1 仿真建模條件與參數(shù)

本文采用id=0的矢量控制策略，速度控制器和電流控制器采用PI控制，在MATLAB/Simulink仿真平臺搭建模型，電機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：極對數(shù)Pn=4，定子電感Ld=Lq=8.5mH，定子電阻R=2.875歐，磁鏈F=ψf=0.175wb，轉(zhuǎn)動慣量J=4.8×10-6kg·m2，阻尼系數(shù)B=0N·M·s。直流側(cè)電壓Udc=311V，PWM開關(guān)頻率fPWM=10Khz。

5.2 結(jié)果分析

仿真結(jié)果如下圖所示，在t=0.2s時，將負(fù)載T=0N·m突變到T=1N·m。圖1和圖2分別表示轉(zhuǎn)速實(shí)際值和估計值變化曲線和偏差變化曲線，以及在t=0.2s處轉(zhuǎn)矩突變情況。

6 結(jié)束語

通過仿真結(jié)果可知，開始時電機(jī)轉(zhuǎn)速從0上升到參考轉(zhuǎn)速600r/min時，轉(zhuǎn)速估計誤差在轉(zhuǎn)速上升階段有較大差值，隨著轉(zhuǎn)速的上升和穩(wěn)定運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速估計誤差變得很小。在轉(zhuǎn)矩突變時，轉(zhuǎn)速有較大波動，經(jīng)過短暫調(diào)整，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定。通過分析可知，在空載、負(fù)載突變和轉(zhuǎn)速突變的情況下，基于MRAS的無速度傳感器控制具有很好的動態(tài)性能和魯棒性，辨識精度較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2]韓世東，張廣明.基于MRAS參數(shù)辨識的PMSM無速度傳感器控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2016（1）.

[3]王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]袁雷，胡冰新，魏克銀.現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

[5]楊雯越.基于MRAS的牽引電機(jī)無速度傳感器矢量控制技術(shù)研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2017.

[6]丁碩，崔總澤，巫慶輝，等.基于SVPWM的永磁同步電機(jī)矢量控制仿真研究[J].國外電子測量技術(shù)，2014，06：81-85.

[7]楊冰，鄧福軍.基于Simulink的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真[J].變頻器世界，2016，07：64-67.