改進永磁同步電機無速度傳感器控制仿真

摘 ?要：在永磁同步電機（PMSM）精確控制的場合，需要安裝位置傳感器來得到轉子的位置信息。為了降低成本，減小測速帶來的干擾，提高系統可靠性，對PMSM采用無速度傳感器控制。基于PMSM本身數學模型，設計了模型參考自適應轉速辨識控制策略，實現了PMSM的速度估計。為了實現良好的抗干擾和跟蹤性能，提出了模糊PI模型參考自適應速度估計方法。仿真結果表明，該方法可實現穩定的無速度傳感器控制，實現轉子位置的正確估計。

關鍵詞：PMSM;矢量控制;磁場定向;無速度傳感器：模型參考自適應;模糊控制

中圖法分類號：TP391 ?文獻標志碼：A

引言

PMSM采用全封閉結構，損耗少，效率高，省去了齒輪箱，可靠性大大提高，極大節約了電機維護的人力和時間[1]。我國又是“稀土王國”，盛產永磁材料。因而作為機電能量的轉換器件，PMSM脫穎而出在工業驅動領域，交通運輸、油田和冶金系統得到廣泛應用[2]。

隨著PMSM 的應用范圍不斷擴大，對PMSM運行性能的要求越來越苛刻，對PMSM的控制提出了更高的要求。傳統的PMSM控制大多采用基于轉子磁場定向的矢量控制方法，這需要在PMSM轉子上安裝精度高的編碼器來檢測轉子的位置，這增加了PMSM系統的不穩定性和系統成本。因此，無速度傳感器控制方法被大量學者研究。常用的速度估計控制方法包括注入高頻信號法，狀態觀測器法，滑模觀測器法和神經網絡等智能算法[3]。

本文基于PMSM的本身模型，建立了參考模型和可調模型，實現了無速度傳感器控制。通過PI參數的在線調整，提出了模糊PI控制策略。對比分析了該控制方案的優越性。

1 在dq坐標系下的模型參考自適應控制

在dq同步旋轉坐標系下，表貼式三相PMSM采用轉子磁鏈定向的矢量控制時的模型為：

作者簡介：朱國慶（1972 -），男，安徽安慶人，大學本科，工程師，主要研究方向：控制技術、物流技術改造。

（1）

其中

（2）

式中：q、d下標表示交軸、直軸分量，i表示定子電流，u表示定子電壓，Rs為定子電阻， 表示定子磁鏈， 為交軸、直軸電感， 為永磁體磁鏈，p為微分算子， 為轉子電角速度。

將式（2）代入式（1）得電流方程的形式為：

（3）

首先定義如下：

（4）

對式（3）作出進一步的變形

（5）

式（5）可以表達為狀態空間的形式，即

（6）

狀態空間表達式式（6）中包含轉子速度的信息，是轉速辨識的基礎。將三相PMSM本體作為參考模型，將式（6）作為可調模型，其中 為要辨識的參數[4、5]。

對式（6）用估計值表示，得到：

（7）

在dq同步旋轉坐標系下，廣義的電流誤差定義為：

將式（6）和式（7）兩式相減得到：

（8）

上式中

轉速估計依據波波夫穩定理論，選擇常規PI自適應控制器，可得估計速度式為：

（9）

其中 為常規PI調節器的比例與積分系數。

由（9）式積分可得到位置的估計為： 。轉子速度和位置估計框圖見圖1。

2 模糊PI的速度估計

PMSM運行在負載不同和轉速改變的過程時，控制對象都是實時改變的。傳統的PI控制器只能依靠經驗，采用固定的 參數，不易使控制品質達到最優。為能在線實時地調整控制器參數，為提高控制系統性能，模糊PI自適應控制策略被提出來，設計PMSM的無速度傳感器控制系統，實現轉速估計。

模糊控制是智能控制中的一種，它有快速的響應能力和較強的抗干擾能力，又有較好的穩定精度。模糊PI自適應控制根據偏差e與e的變化率，對傳統PI控制中的 參數進行在線調整，更好地抑制系統的振蕩和超調。根據需要選擇電流誤差值 和誤差變化率 作為輸入變量，以比例積分控制的參數變化量 、 作為輸出變量。如圖2所示為具體的結構控制圖。

將輸入和輸出的變化范圍定義為模糊集上的論域， 、 和 、 的論域都取為：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

設輸入（用e、ec表示）和輸出的隸屬度函數曲線為三角形，語言變量的隸屬度函數表示為{NB、NM、NS 、ZE、PS 、PM、PB}，如圖3所示。

利用加權平均法實現反模糊化，表達式為：

（10）

實際的輸出控制量用x0與量化因子相乘得到。

3仿真實驗

在Matlab/Simulink中，建立PMSM在d-q坐標系下的仿真模型進行轉速估計。仿真對比了傳統PI和模糊PI的系統控制性能，仿真中PMSM的參數為表3所示：

仿真中，設定PMSM在0s空載啟動，設定轉速為同步速750r/min，在0.2s時調速為600r/min，如圖4（a）所示。從圖4（b）是采用常規PI誤差圖知，在調速的動態過程中轉速誤差出現了50r/min的波動，調整時間達到20ms。圖4（c）是采用模糊PI的控制算法，在相同的調速情況下，轉速誤差出現了20r/min的波動，調整時間約為8ms，調整時間和超調量都有較大的改善，估計轉速能很好跟隨實際轉速的變化。

如圖5（a）所示，電機在600r/min空載啟動，在0.2s時加負載4N·m，采用常規PI控制的轉速誤差圖5（b）知，在負載突變的動態過程中轉速誤差達到了62r/min的波動，調整時間為15ms。采用模糊PI的控制算法時，在相同的負載變化情況下，圖5（c）中顯示轉速誤差為21r/min，調整時間約為5ms，通過模糊PI的控制算法使系統的抗干擾性能得到很大的提高。

4 ?結論

本文在同步速坐標系模型中，提出了模糊PI模型參考自適應控制方法，且建立了基于Matlab/Simulink的仿真數學模型。仿真對比結果表明模糊PI控制方法跟隨性和抗干擾性都更優越。

參考文獻

[1]許柯.永磁同步電機轉矩—轉速模式切換研究及控制器設計[D].碩士學位，華南理工大學2020.

[2]鄭飛，吳欽木.基于模糊PI的永磁同步電機矢量控制[J].計算機與現代化，2021年第1期：7-11.

[3]魏釩.永磁同步電機無傳感器控制技術研究[D].碩士學位，中國科學技術大學2020.

[4]吳偉.永磁同步電機無位置傳感器控制策略研究[D].碩士學位，江蘇科技大學2020.

[5]袁雷，胡冰新，魏克銀等.現代永磁同步電機控制原理及仿真[M].北京航空航天大學出版社，2016.

[6]朱云國，闞超豪.無刷雙饋發電機模糊PI無速度傳感器控制研究[J].太陽能學報2016，37（2）282-289

作者簡介：

朱國慶（1972 -），男，安徽安慶人，大學本科，工程師，主要研究方向：控制技術、物流技術改造。

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