永磁同步电机模型参考自适应无速度传感器控制方法

1、永磁同步电机模型参考自适应无速度传感器控制方法李永东张猛肖曦梁艳清华大学摘要：无速度传感器控制方法已经应用在永磁同步电机控制中。介绍了3种基于模型参考自适应的永磁同步电机无速度传感器控制方法。利用实际电机电流和模型电流的差异来估算电机的转速和位置。应用这3种方法，获得了很好的控制性能，并对试验结果进行了比较。关键词；永磁同步电机、无速讐感器#Sensorless Control of PM Synchronous Motors Based on MRAS MethodLi Yongdong Zhang Meng Xiao Xi Liang YanAbstract: Sensorless con

2、trol method is applied to the control of PM synchronous motors. This paper presented three Sensorless Control strategies of PM synchronous motors based on MRAS methods. The difference between actual motor current and model current is used for estimation of speed and position. Experimental results sh

3、ow good performance- The three strategies are compared based on the experimental resultsKeywords: PM synchronous motors MRAS sensorless contort303#1引言估算方法本质上也是一种模型参考自适应控制方法，和根据波波夫超稳定性定律得到的MRAS永#程didtud(1)(2)永磁同步电机结构简单、体积小、重量轻、 损耗小、效率高，和直流机电机相比，它没有换 向器和电刷，维护简单。和异步电机相比，它由 于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数 高，力矩惯量比

4、大等有点，因此在中小容量高精 度传动领域得到广泛应用。近些年来，无速度传感器永磁同步电机控制吸引了更多的注意力。许多估算转子位置和速度 的方法被提出来。比如利用定子电压电流的开环 估计方法、基于观测器的速度位置估计（扩展卡 尔曼滤波器）、由于磁通饱和效应造成电感变化的 估计方法等。本文介绍的基于反电势的速度位置磁同步电机估算方法一样，只需要检测定子电流 和直流母线电压，即可估算转子转速和位置，并 获得很好的性能。2模型参考自适应控制原理永磁同步电机在d-q坐标系下的定子电流方didR.丄=ld+a)la + dt L d q LR0丄“4n _ di#3 + L q d L L在定子电流方程中

5、包含转子转速。我们选取 定子电流模型作为可调模型，而实际的电机作为参考模型。根据两个模型输出dq轴电流的不同, 通过一定的自适应调节机构，根据一定的估算策略,IIII我们就可以得到的估算值，輙的积 算的位置和反电势就可以利用电流误差进行补 偿。永磁同步电机在弘q坐标系下电压方程如下:305#分，得到转子的位置。图1所示为永磁同步电机无速度传感器控制-a)L '+ £0R + pL1 R + pLcdL(3)#系统框图，它包括一个控制模块和一个速度位置e = KEa)#估算模块。控制模块进行速度和电流的控制。速 度PI调节器产生q轴电流给定，即转矩电流，电 流PI调节器得到dq

6、坐标系下电压给定值叫和 知，叫和通过旋转变换，得到作用于实际电 机的三相电压。其中R为定子电枢相电阻；£为定子绕组d、q 轴电感；ud,uq为定子绕组d、g轴电压；id，iq为 定子绕组d、g轴电流；7为反电势常数，在数 值上等于l/r O#在无速度传感器情况下，实际电机转子位置#图1模型参考自适应控制系统框图并不知道，控制作用施加在估算转子位置利用转子位置误差&（=& & “），轴下电压方程如下ur = R + PLwj I Q"一 ©mLR + pL(4)2.1基于EMF的卿参考自題控制方泓2】日本学者松井信行提出的基于EMF的永磁 同

7、步电机的无速度传感器速度位置估算方法，在在釆样周期足够短的情况下，可以得到在估 算位置y-8下参考模型电流本质上说，也是一种模型参考自适应控制方法,电机定子电流模型作为可调模型，实际电机作为T毗切（5）参考模型，利用参考模型和可调模型电流输出的Lsin -1)-cos -1)误差来估算转子的速度和位置。图2所示为永磁同步电机的分解模型。轴为电机转子的实际位置，7-5轴为估算的电 机转子位置。&与為 之间的误差通过电机实际通过用替换反电势幺，并令& =0,得到可 调模型电流电流和可调模型的电流来校正。3如 1-T血m(m-1Yw_l)(n 1)T1TL .SS-i).T'

8、Mz(n-iy(6)aq图2永磁同步电机分解模型在这种控制方法的估算模块中，估算出位置、3S) T一en - 1)A&("-1)A 6(71 1)L从式（5）、式（6）中，得到电流误差&（“一沧）(7)速度和反电势。利用估算的转子位置和反电势， 计算出可调模型电流，可调模型和参考模型电流其中山（=£-切）为在0假设下反电势估的误差是由于估算位置和反电势误差造成的，估计误差。电流误差和分别对应于估算的位 置和反电势误差A&和&，因此，我们得到下式307的估算方程S (n)=eM(nl)-KeMs(n) T z(")=(« 一

9、 0+ (")十人EK& sgna?M(n-l)Af7(/i)(8)(9)讥局妇1)4)7(TRis S -1)- Lg)m (n - % (n -1) 转速估算表达式仍为(10)、(11)两式形式。 得到速度、位置估算框图(见图3)。(16)1 g)m (n 1)> 01:("-1) v 0KK&分别为反电势和位置估计增益。通过对 估算位置的微分，得到如下的估算转速轴表达 式EQU2 叭=bqRrq_L 町图3简化的基于EMF控制方法的转子速度、位置估算框图% (n) = +&M (兀)- &M (n - 1)=;(")+

10、轴(”)Mm M=*sgn© (n - l)Azr(n)(10)(11)由于%()中含有很多噪声，通过一个低 通滤波器来消除(n)中的噪声成分。2.2基于EMF的模型参考自适应简化方法通过将可调模型电流表达式(6)N = i - 得到&司=ir(n)-以“ -1)+壬叫-1)-L% (n -(n-l)-ur(n -1)代入(12)，、 T八L用6(" _1)_一("一 1) 代入(8)、(11)式可以得到： 血M)=_¥sgn (oM (n _ l)r(n - 1)- Ri d_L 迦S + 八'Tl®m S - iX -1)

11、e” W = (1 一 辛卜("一 1)+牛 k(«-1)- 小(”)p("-i)_ 鷄仏_1)一JL£d(n-l>/n-l)当&= +时，我们得到简化的控制方法中e”表 达式(13)(14)(15)2.3基于波波粗稳定的题参考自题控制方法选取永磁同步电机本身作为参考模型，永磁 同步电机电流模型作为可调模型。式(1)、式(2) 写成如下矩阵形式ddt_R LG)0)R_(17)叫十一T叫则参考模型R一3dti；简写为建立如下可调模型dtR LA-0)0)R(18)才 J Ai'+Bu'(19)A(DR(20)311A A根据

12、式（19）、式（21）、式（22）可得e = Ae-/w dtv = De(24)根据正实性定理和波波夫超稳定性定理，如1）传递矩阵=尸为严格正实矩阵;2）帀（0,/0）= 圧为一有限正数;£° vTwdt 2 -r02，%no、Jb 八wAUJ-嘉巳 )+ (0)(25)(26)(27)表1实验电机参数1000W5.0Nm5.16A2000nMn2500iymin41.82 n15.06 mH0.64X10° kgm2两种方法都很好的跟踪了实际简写为(21)(22)(23)AAw=G4 A)f果满足:那么有lim e（t） = 0，即模型参考自适应系统是渐近稳定

13、的。得到下面的PI形式的速度估算表达式:G =其中 k19k2>0用代替八盯，得至0的=k此匚叫£_¥匕_4肛+ 爲Ji；一牛（J_j：） +方（°）id, iq通过可调模型计算得到,id,人由电机本身检测 得到的三相电流0," 变换得到。幡竝的积分得到0 = （bdt3实验结果三种模型参考自适应控制方法均在MyWay PE-PRO开发平台上实现，此开发平台支持C语 言编程，并且通过串口实时观测各参数变化，实 验观测数据可以保存。实验中，电流环采样时间 100us,速度环釆样时间1mso实验电机参数如表 1所示。聪功率RL图4为基于EMF模型参考自

14、适应控制方法的 电机启动和稳态速度波形。图5为简化基于EMF 模型参考自适应控制方法的电机启动和稳态速度 波形，可以看出， 速度，获得了很好的控制性能。简化方法波形毛 刺比较尢比较式（15入式（16）可以看出，当 - L ,基于EMF的模型参考自适应控制方法 对e”有一定的滤波作用，使得波形较为平滑。在*调试过程中，由于简化方法少了一个调节参数， 调试较为方便。图6为基于波波夫超稳定性理论 的MRAS方法的电机启动和稳态速度波形。由于 此方法中，估算速度为一 PI输出，估算速度波形 平滑，在稳态有微小的振荡。图7为基于EMF模型参考自适应控制方法电 机稳态时转子估算和实际位置误差。图8为简化

15、EMF模型参考自适应控制方法电机稳态时转子 估算和实际位置误差。图9为基于波波夫超稳定 性理论的MRAS控制方法电机稳态时转子估算和 实际位置误差。3种方法均准确的对转子位置进 行了估算。从实验结果中可以看出，此3种控制方法在 一定速度范围内可以获得较准确的速度位置估算 结果，获得较好的控制性能。315/s图4启动和稳态电机估算和实际速度波形图5启动和稳态电机估算和实际速度波形s、pw/母議250 1200咖0.15-0.05 -i-OJO-4ML20z z(Pol) Jomuo:Esod申.04.1(”KM)18稳态时估算和实际转子位置误差图9稳态时估算和实际转子位置误差4结论().02-0

16、/s50-图6启动和稳态电机估算和实际速度波形g卜<(115-本文介绍的3种基于模型参考自适应的永磁 同步电机无速度传感器控制方法，给岀了每种方 法具体理论推导过程，并在MYWAY PE-PRO 实验平台上实现了 3种方法。实验结果显示，由 于基本的基于EMF的控制方法相对于简化的基 于EMF的控制方法，速度波形毛刺较小，可以获 得更好的性能，但是由于调试参数较多，调试难 度增加。基于波波夫超稳定性定律的模型参考自 适应控制方法，估算速度有很小的稳态振荡，由 于其估算速度为一PI输出，估算速度波形较为平 滑。3种方法在一定的速度范围都较好的估算了 电机速度和位置，实现了很高的控制性能。参考文献IE'A0J0-si(PUJrQUolIO.2sod<h05-*0.00-<).05-4.1,)20 J1(050100150/s200图7稳态时估算和实际转子位置误差1 Takeshita Matsui Tt Sensorless N. Control and Initial Position Estimation of Salient-Pole Brushless DC Moton AMC '9&MIE 1996, (1)： 18232 Takaharu Takeshita,