基于模型參考自適應的永磁同步電機矢量控制系統

王圣朝 白阿偉 姜春霞

摘 要：設計了基于模型參考自適應（Model Reference Adaptive System，MRAS）的永磁同步電機無速度傳感器矢量控制系統。通過對自適應率的設計，實現了無速度傳感器電機控制，在MATLAB/Simulink環境下構建了仿真模型，仿真結果表明基于MRAS的無速度傳感器控制對轉速和轉子位置角有很好的辨識效果。

關鍵詞：永磁同步電機；MRAS；矢量控制

中圖分類號：TM341 文獻標志碼：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

永磁同步電機具有其他電機無法比擬的優點，如結構簡單、體積小、效率高等，因而得到了越來越廣泛的應用。傳統的檢測方法多采用光電編碼器或者旋轉變壓器等傳感器，其對控制系統要求比較高，成本也較高，導致應用場合與環境受到了限制。為了克服機械傳感器的這些弊端，無速度傳感器技術成為了電氣傳動研究領域的研究方向之一。

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

2 基本理論

模型參考自適應系統是從20世紀50年代后期發展起來的，它屬于自適應系統的一種類型。從結構上MRAS可以分為可調模型、參考模型及自適應律3個部分。MRAS的辨識思想是把不含有未知參數的表達式作為期望模型，而將含有待辨識參數的表達式用于可調模型，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，通過合適的自適應律來實現對異步電機參數的辨識。

3 參考模型和可調模型的確定

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

5 基于MRAS的控制系統仿真分析

5.1 仿真建模條件與參數

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，電機參數設置如下：極對數Pn=4，定子電感Ld=Lq=8.5mH，定子電阻R=2.875歐，磁鏈F=ψf=0.175wb，轉動慣量J=4.8×10-6kg·m2，阻尼系數B=0N·M·s。直流側電壓Udc=311V，PWM開關頻率fPWM=10Khz。

5.2 結果分析

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

6 結束語

通過仿真結果可知，開始時電機轉速從0上升到參考轉速600r/min時，轉速估計誤差在轉速上升階段有較大差值，隨著轉速的上升和穩定運行后，轉速估計誤差變得很小。在轉矩突變時，轉速有較大波動，經過短暫調整，轉速達到穩定。通過分析可知，在空載、負載突變和轉速突變的情況下，基于MRAS的無速度傳感器控制具有很好的動態性能和魯棒性，辨識精度較高。

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