摘要：考虑到永磁同步电机（PMSM）机械位置传感器的诸多缺点，提出一种基于模型参考自适应理论（MRAS）的电机转子位置估算方法。在传统的SVPWM控制方法基础上，以模型参考自适应系统作为电机转子位置的获取模型；建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型。由仿真结果得出，该方法对电机位置以及速度的估算有较高精度。
关键字：模型参考自适应系统；永磁同步电机控制；空间矢量脉宽调制；Matlab/Simulink；
0前言
在PMSM的控制中，无论是矢量控制还是直接转矩控制，其速度以及转子位置的闭环检测环节必不可少。而通常情况下，都是采用编码器或者霍尔传感器来进行电机位置和速度的检测，并将检测到的信号反馈给控制器。虽然传感器检测技术已经比较成熟，但是也存在的诸多缺点。因此，无传感器检测的方法就有了很大的发展空间。本文以模型参考自适应系统为基础，大体介绍模型参考自适应系统的基本原理，在此基础上建立PMSM转速估计的数学模型，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，最终在MATLAB中搭建基于MRAS的PMSM系统控制的仿真模型进行系统仿真，对仿真结果进行分析。
1 模型参考自适应系统（MRAS）原理概述
系统由参考模型、调节模型和参数自适应环节三个部分组成。参考模型是一个参数和结构固定的理想模型，所以在外部激励R(t)的作用下，模型的输出Yr(t)可被看作是系统的理想输出。由于外部干扰和系统自身的随机扰动（系统参数的微变）等，被控对象的实际输出Yp(t)与模型的理想输出之间会产生误差Er(t)，系统通过误差来反馈给参数自适应环节来调节可调模型，系统通过误差来反馈给参数自适应环节来调节可调模型，以使其实际的输出更接近于理想输出。根据MRAS估计电机速度的基本思想就是把不含有未知参数的表达式作为系统的参考模型，而将包含待估计参数的表达式作为系统的可调模型，并且两个模型的输出量具有相同的物理意义，根据两个模型的输出误差通过适当的参数自适应环节来进行电机的参数估计。
2 参考模型和调节模型理论分析
根据三相表贴式永磁同步电机的特性，其定子电感等于交、直（d-q）轴的电感分量，在同步旋转坐标系下，PMSM的电压方程与转子位置角度有关。而定子电流的数学模型只与转速相关，所以可以将其作为模型参考自适应系统的可调模型，将电机自身作为系统的参考模型。由于所得的状态矩阵中含有电机转子速度信息，所以可作为系统的可调模型，速度信息可作为待辨识的参数。
3 参考自适应率确定
要使系统保持稳定，则其中可调模型的非线性时变反馈环节必须满足Popov超稳定性理论，在系统的自适应率的基础上，进行拉式变化，即得转子电角速度估计值表达式。
4 基于MRAS的PMSM矢量控制系统仿真
图1 MRAS无传感器矢量控制系统 图2 系统自适应率仿真模型
根据以上分析，图1为无传感器的PMSM以及FOC控制在MATLAB/Simulink环境中搭建的系统仿真模型。其中，根据Popov超稳定性理论所推导的转子角速度的模型如图2所示，再增加积分环节即可得到转子位置。
为验证MRAS理论对电机转子位置估计的可行性，以及控制系统仿真模型的正确性，给定系统输入参考转速Vref设为600r/min，在空载条件下仿真，结果如下所示。
4 仿真结果与分析
图3 角度实际、估算误差 图4 转速实际、估算误差
图3为电机运行过程中直接从电机读取到的实际转子位置与经过MRAS模型估算得到的转子位置以及两者的误差变化曲线，图4为实际的转子转速与MRAS模型估算得到的爪子速度以及两者的误差变化曲线。由上图仿真结果可以得出，电机的速度从零变化到系统的参考转速Vref的过程中，在电机的启动阶段，电机的实际转速与估算转速存在着较大误差，但是随着系统运行稳定，速度误差在逐渐减小，同时位置误差也在逐渐减小。因此由以上仿真结果可以说明，MRAS在无传感器的PMSM控制系统中能够满足电机控制性能的基本要求。
5结语
采用模型参考自适应方法，在FOC矢量控制技术的基础上，提出了一种永磁同步电机无位置传感器的控制算法，通过理论分析，根据理论分析结果以及PMSM矢量控制算法搭建MATLAB/Simulink仿真模型，对此方法进行理论仿真。仿真结果表明，以MRAS算法来估计电机转子位置及速度的信息能够较好的达到控制要求，系统能够达到稳定的速度跟随特性，能够满足一般的无位置传感器控制场合的要求。
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作者简介：姓名：周浩（1994.1），性别：男，陕西省宝鸡市人，学历：硕士，专业：机械电子工程
论文作者:周浩,冯振东,钦杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/2
标签：模型论文; 系统论文; 转子论文; 电机论文; 自适应论文; 误差论文; 永磁论文; 《电力设备》2019年第15期论文;