黃肇，袁旭龍，王曉芳

(邵陽學(xué)院，湖南邵陽422004)

    摘要：依據(jù)永磁同步電動機的動態(tài)耦合關(guān)系，提出一種模型參考自適應(yīng)辨識算法來估算轉(zhuǎn)子的位置。永磁同步電動機無位置傳感器的調(diào)速系統(tǒng)采用空間矢量脈寬調(diào)制策略以減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動。

    仿真結(jié)果證實了型參考自適應(yīng)辨識算法對轉(zhuǎn)子位置跟蹤準(zhǔn)確．系統(tǒng)具有很強的魯棒性，是實現(xiàn)永磁同步電動機無位置傳感器控制的一種實用方法。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；模型參考自適應(yīng)；空間矢量脈寬調(diào)制；魯棒性

    O引  言近年來，永磁同步電動機由于具有高可靠性、高轉(zhuǎn)矩慣量比、高效率和高功率密度等優(yōu)點，在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。永磁同步電動機的運動控制需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號去實現(xiàn)磁場定向，在傳統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)中，通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度。然而，額外的傳感器、連接器、電纜等增加了系統(tǒng)的成本，『而且降低了系統(tǒng)的可靠性[1-2]。元傳感器技術(shù)是目前交流傳動的一大發(fā)展方向，適用于一些特殊的應(yīng)用場合。因此，越來越多的學(xué)者將目光放在無速度傳感器控制系統(tǒng)的開發(fā)。

    永磁同步電動機無位置傳感器的調(diào)速系統(tǒng)采用空間矢量脈寬調(diào)制策略，以減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動。估算轉(zhuǎn)子位置角的主要有兩大類：第一類主要是利用永磁同步電動機的電磁關(guān)系并檢測出定子電流幅值，根據(jù)其電流幅值在空間上的各相差異性估計出轉(zhuǎn)子實際位置；第二類是間接地從永磁同步電動機的反電勢中提取位置信息，這種方法具有良好的動態(tài)性能，但是在低速時轉(zhuǎn)子位置很難估算[3-4]。文獻[5—6]采用定子磁鏈估計法，磁鏈由反電勢積分求得，但是由于積分器的漂移問題，得到的磁鏈值會有積分誤差。文獻[7—8]

    采用卡爾曼濾波器估計法，可以從隨機噪聲信號中得到****觀測，但采用這一算法計算量較大，需要高速、高精度的DsP，使得永磁同步電動機無位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件成本提高。文獻[9-10 ]采用滑模觀測器估算法，可以選擇合適的反饋值來估算轉(zhuǎn)子位置，但受電機參數(shù)的影響較大。鑒于此，本文提出一種模型參考自適應(yīng)辨識算法來估算轉(zhuǎn)子的位置。依據(jù)永磁同步電動機的動態(tài)耦合關(guān)系檢測出id、iq通過模型參考自適應(yīng)控制的可調(diào)模型檢測出id、iq，再利用模型參考自適應(yīng)辨識算法估算出ωr。

    仿真結(jié)果證實了模型參考自適應(yīng)辨識算法對轉(zhuǎn)子位置跟蹤準(zhǔn)確，系統(tǒng)具有很強的魯棒性，是實現(xiàn)永磁同步電動機元位置傳感器控制的一種實用方法。

    1永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型

    基于MRAs和sVPwM的永磁同步電機無位置傳感器的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，為了采用MRAs觀測器法實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的檢查，先建立PMsM在d—q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，定子電壓、電流通過坐標(biāo)變換得到vd、vq和id、iq，再充分利用永磁同步電動機動態(tài)耦合關(guān)系，建立MRAs觀測器來實現(xiàn)永磁同步電動機的無位置傳感器的控制技術(shù)。最后永磁同步電動機無位置傳感器的調(diào)速系統(tǒng)采用svPwM以減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動．

 

    永磁同步電動機把永磁體作為轉(zhuǎn)子，三相a、bc對稱繞組作為定子，在定子三相繞組中通以相位相差120。的二相電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的定子磁場，該磁場與永磁體勵磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通常按照轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系進行定向，其電壓方程如下：

 

 

 

        式中：J為慣性系數(shù)f為摩擦系數(shù)；TL為負載轉(zhuǎn)矩；tem為電磁轉(zhuǎn)矩；∞為轉(zhuǎn)子機械速度，ω=pωr；p為磁極極對數(shù)。

    矢量控制實際上是對永磁同步電動機定子電壓

 

 

    于是，電機轉(zhuǎn)矩僅僅包括電磁轉(zhuǎn)矩Tem，定子電流合成矢量與g軸電流相等，這就與直流電動機的控制原理一樣，只要能夠檢測出轉(zhuǎn)子位置(d軸)，使三相定子電流的合成矢量位于q軸上就可以r。圖1給出id=O時的電流控制方式的系統(tǒng)框圖。

    2空間矢量PwM調(diào)制

    svPwM控制策略采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而在不高的開關(guān)頻率時，提高了電壓型逆變器的電壓利用率和永磁同步電動機的動態(tài)響應(yīng)性能，同時減小了電壓型逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動[1]。對永磁同步電動機的三相進行分析和控制時，若引入Park矢量，會將3個標(biāo)量(二維)變換為1個矢量(二維)：設(shè)以直流側(cè)中點O作為參考點，則上管導(dǎo)通

 

 

   

    三相電壓源型逆變器由六個功率開關(guān)器件組成。如果不考慮死區(qū)時，逆變器的上橋臂和下橋臂的開關(guān)呈互逆狀態(tài)，所以只用上橋臂的三個功率開關(guān)器件來描述逆變器的工作狀態(tài)就足夠了。如果把上橋臂的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)用“1”表示，關(guān)斷狀態(tài)用“0”表示，那么上橋臂的三個功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)共有八種組合，構(gòu)成了對應(yīng)的電壓空問矢量，分別表示為：s1(100)、s2(1lO)、s3(OlO)、s4(011)、s5(001)、s6(101)、s0(000)、s7(111)，這8個矢量就是基本空間電壓矢量，如圖3所示。從逆變器的正常工作看，前六個工作狀態(tài)是有效的，稱為有效矢量，有效矢量長度均等于2/3Vdc，而s0(000)、s7(111)兩個工作狀態(tài)是無效的，變換器輸出的電壓空間矢量等于零，所以稱為零矢量。

 

 

    根據(jù)矢量合成原理可知，空間矢量PwM技術(shù)是將電壓矢量u近似分解成與這-矢量相鄰的兩個基本矢量來合成。這樣就可以得到8個基本矢量的作用時間，由作用時間便可確定IcBT的動作時間，從而產(chǎn)生PwM控制信號。一個勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量在三相空間A、B、c軸上的投影是三相對稱的正弦變量。由于變換器實際所能產(chǎn)生的矢量有限，不可能輸出角度連續(xù)變化的空間矢量。為獲得旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，只有利用各種矢量作用時間的不同，來等效合成所需的矢量。以第1扇區(qū)為例，用最近的兩個相鄰有效矢量u1、u2和零矢量合成參考矢量u，等效矢量按平均值平衡原則合成，如圖3所示，沒需合成的參考電壓為u，則有：  

 

 

 

 

 

    4仿真與結(jié)果

    本文基于Matlab／simulink 7 O對永磁同步電動i機無傳感器矢量控制進行了仿真研究。sVPwM開關(guān)頻率為20 kHz。仿真中使用的永磁同步電動機將模型參考自適應(yīng)觀測器和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電動機無速度傳感器矢量控制中，完成永磁同步電動機起動及無傳感器閉環(huán)運行仿真實驗。從圖6和圖7可以看出，模型參考自適應(yīng)速度觀測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確觀測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，估計轉(zhuǎn)速及位置能較好地跟蹤實際值變化，具有較好的抗擾動能力。由圖8可以看出，電動機起動時電流迅速達到****值，然后穩(wěn)定在正常值；當(dāng)突加負載轉(zhuǎn)矩時，電流經(jīng)過一個輕微的振動過程后穩(wěn)定在一個新值。由圖9可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩在電動機起動時迅速達到****值(15 N·m)，然后快速穩(wěn)定在正常值(3 N·m)，在350 s時突加負載轉(zhuǎn)矩3 N.m，電磁轉(zhuǎn)矩同電流值一樣經(jīng)過一個輕微的振蕩過程，然后穩(wěn)定在一個新值(1 N·m)。電流iq與電磁轉(zhuǎn)

 

 

 

 

    5結(jié)語

    本文根據(jù)永磁同步電動機的動態(tài)耦合關(guān)系，提出了一種基于模型參考自適應(yīng)觀測器算法，米估算面貼式永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)子磁場定向的無位置傳感器控制方法。仿真結(jié)果表明，模型參考自適應(yīng)狀態(tài)觀測器能夠在較高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)追蹤實際信號，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子速度的觀測，從而實現(xiàn)了無速度傳感器磁場定向控制。通過仿真證明了所提方案的可行性。