第３４卷第１期 ２０１８年２月 湖北理工学院学报 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２０１８ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＵＢＥＩ ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—４５６５．２０１８．０１．００２ 永磁同步电机ＭＲＡＳ无速度传感器 矢量控制系统设计 马桂芳，范乐辉，颜福壶，郭振明，吕伟裕，陈 东 （龙岩学院机电工程学院，福建龙岩３６４０１２） 摘 要：设计了基于模型参考自适应（ＭＲＡＳ）的永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统。通过对 自适应律的设计，实现了无速度传感器电机控制，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下构建了仿真系统并进行了 实验验证。实验和仿真结果表明，永磁同步电机应用ＭＲＡＳ的无速度传感器矢量控制系统可以估算 出电机转子的速度及位置，能较好地完成电机的测速。 关键词：永磁同步电机；ＭＲＡＳ；矢量控制 中图分类号：ＴＭ３０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—４５６５（２０１８）０１—０００５—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＭＲＡＳ Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｍａ Ｇｕ ｎｇ，Ｆａｎ Ｌｅｈｕｉ，Ｙａｈ Ｆｕｙａｏ，Ｇｕｏ Ｚｈｅｎｍｉｎｇ，Ｌｖ Ｗｅｉｙｕ，Ｃｈｅｎ Ｄｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｏｎｇｙａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｏｎｇｙａｎ Ｆｕｊｉａｎ ３６４０１２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ（ＭＲＡＳ）ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ—ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｄａｐｔｉｖｅ ｌａｗ．Ｉｎ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｓｐｅｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＰＭＳＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＲＡＳ ｃａｎ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒ ａｎｄ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ＭＲＡＳ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ 永磁同步电机具有其他电机无法比拟的 优点，如结构简单、体积小、效率高等，因而得 到了越来越广泛的应用。但是，在对其进行调 速控制时，需要精确的转子位置和转速信息。 传统的检测方法多采用光电编码器或者旋转 变压器等传感器，其对控制系统要求比较高， 成本也较高，导致应用场合与环境受到了限 制。为了克服机械传感器的这些弊端，无速度 方向之一。 近年来许多学者对永磁同步电机的无速 度传感器控制进行了一系列的研究，如通过电 动机本体、感应电动势和磁链来计算速度；用 模型参考自适应原理来辨识速度 ；向电机 注人特定的高频电压或电流信号，以确定转子 凸极的位置从而检测出转速等。本文以模型 参考自适应理论（Ｍｏｄｅｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｙｓ－ 传感器技术成为了电气传动研究领域的研究 ｔｅｍ，ＭＲＡＳ）为基础来估算电机转速。首先通 收稿日期：２０１７—１１—１５ 基金项目：福建省教育厅科研项目（项目编号：ＪＢ１４０９７）；龙岩学院２０１６大学生创新创业项目（项目编号：２０１６０２１）；龙岩 学院百名青年教师攀登项目（项目编号：ＬＹＸＹ２０１１０７８）。 作者简介：马桂芳，讲师，硕士。 ６ 湖北理工学院学报 ２０１８年 过对永磁同步电机本体的分析，确定出参考模 型和可调模型；然后在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建 模型进行仿真，验证方案是否可行；最后基于 ＤＳＰ＋ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５数字控制系统搭建实验 平台，分析其实验波形，验证该方法的准确性 和可行性。 Ｈ兰 一 ＪＬ。 Ｊ （２） 吉 ］ １ ＭＲＡＳ基本原理 模型参考自适应控制系统的工作原理图 如图１所示。从图１中可以看出，系统共有２ 个闭环控制，即由参考模型和自适应机构一起 构成的外环、由控制器和被控对象构成的内 环。参考模型的输出为一个动态指标，将其与 被控对象的输出比较后，得到两者之间的误差 ｅ（ ），并输入至自适应机构；然后，由自适应机 构按照一定的自适应律来修正控制器的参数， 目的是使被控对象的输出能尽可能随参考模 型而变化 ｊ。ＭＲＡＳ系统设计的最大难点是 设计自适应机构和确定自适应律。 图１ 模型参考自适应控制系统的工作原理图 ２ 永磁同步电机的ＭＲＡＳ参数辨 识系统建模 ２．１ 参考模型及可调模型的确定 永磁同步电机在两相旋转坐标系ｄ口中的 定子电流方程为＿４ Ｊ： ，ｌ 一 ＋． 。．． ＋ —【一 一 ｄｔ一 一 一￣一 ９ｅ ＋ ＋一 Ｌ ｓ 式（１）中， 为转子旋转角速度； 为定子 绕组电阻； 为定子绕组的等效同步电感； 、 分别为定、转子磁链矢量。 定子电流方程的矩阵形式为： ＝ ｄ＋ｉ ｑ ：ｉ＝ ｉ ｑ ：＝１￣ｄ ＋ Ｕｑ： ｑ＝ ｇ（）（３） 未［：；】＝［二耋 一；］【 】＋ 【 ｊ ｃ ４ ｄ ｔ ＝Ａｉ ＋Ｂｕ （５）、 （ ），Ｍ （ ），Ａ ｌ二 一圣ｊ。 ２．２ 自适应律的设计 设转速的估计值为白 ，由式（４）得并联可 ［ Ｉ二 一；ｊ［ ＋ 【 ｊ ｃ ６ 车 ｉ＋Ｂｕ （７） ｄｔ 、 詈（ 一 Ａｉ＂－Ａｉ ＝Ａ（ｉ＇－ （ —Ａ）ｉ （８） ＾ ， ｅ＝ 一 ｏ 第１期 马桂芳，范乐辉，颜福矗，等：永磁同步电机ＭＲＡＳ无速度传感器矢量控制系统设计 ７ Ｌｑ＝８．５ ｍＨ，永磁体在定子绕组中产生的磁链 ＝０．１７５ Ｗｂ，转子转动惯量Ｊ＝０．０３ ｋｇ·ｍ２， 式（１０）为定子电流矢量误差方程。 极对数Ｐ ＝４。仿真得转速和转子位置实际测量 值与估计值如图４所示。 ［ 等 二；］一 ＝ —Ｈ ｓ ＝。ｃ 一Ａ 一ｉ＝布 ＋－等Ｏ）ｅ］（１１ 传递函数日（ｓ）为严格正实矩阵。叼（０，ｔ。） ＝脂ｅ Ｗｄｔ≥一 满足Ｐｏｐｏｖ不等式，且ｌｉｍｅ（ｔ） ＝０，说明系统是渐进稳定的。逆向求解得自适 应律： 面。＝ｆ ｏｋ （ 一 ｉｄ ）ｄｒ＋ （ｉａ＂ｉ 一 （１２） 式（Ｉ２）中， ，Ｊｉ｝。Ｉ＞０。 可将式（４）代入式（１２），得： ＝。胍 一 ｉ ＋ （ｉ 一 ）］ｄ ＋ ［ ｉ 一 ＋ （ｉ 一 ）］＋ （０） （１３） 得到自适应律后，系统可以使西。逐渐逼近 。ＭＲＡＳ的仿真模型如图２所示。 图２ ＭＲＡＳ的仿真模型 ３仿真及分析 控制系统设计好后，可用Ｍａｌｆａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿 真软件搭建控制系统模型，系统仿真框图如图３ 所示。永磁同步电机的参数设置如下：定子电阻 Ｒ＝２．８７５ Ｑ，定子直轴电感与交轴电感 ＝ ｛５。０ｒ—ｒ— —１——ｒ— — —－＿——ｆ— —１ １ ００叶…中…‘ｌ ： ； ” ０…一 “ ： ： ： ” 一…～ １ ： ｝ ： ： Ｉ 咖卜¨¨－卜专－－．｝¨¨ｌ…－卜十…｝¨¨十…卜＿１ ㈨ｍｉｎ、ｔ／８ ｃ，ｓ ｂ）转子位置实际测量值（ ）与估计值ｌ ） 图４转速和转子位置实际测量值与估计值 由图４（ａ）可以看出，估算出的转速与实际 测量的转速一致，但前者的波动性比较大，动态 响应较好。由图４（ｂ）可看出Ｍ 算法可以很 好地估算出电机位置。 ４ 实验验证 为了验证ＭＲＡＳ的转速估算方法的准确性，控 制器采用了ＴＩ公司的ＤｓＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５。其 属于Ｃ２０００系列的一款浮点ＤＳＰ控制器。永磁同 ８ 湖北理工学院学报 ２０１８年 步电机实验参数选择与仿真时的参数相同。该实 验系统的硬件设计主要由智能功率模块 （ＩＰＭ）、整流变压器、单相不控整流桥、滤波电 较好地与实际值保持一致性，动态和稳态性能 均较好。 容等构成。其中ＩＰＭ集成了ＩＧＢＴ器件、驱动 ’ 电路和保护电路，具有自身保护功能，且工作 ＿ ｌ｜ ｌＩｌ 一 引ＩＩ…１ ： ２可靠 Ｊ。ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５不仅可以控制ＭＲＡＳ 模块估算转子位置和转速，还可以作为整个系 统的控制器实现永磁同步电机的矢量控制。 实验系统的软件功能都是在ＤＳＰ中实现 …＿ｌ，ｉ，，ｉ ｔ ｉ ｝１Ｉ硼 ＿ 川 ＿ ：９￣／ｄｉｖ 的。整个系统由主程序和各种中断服务程序 组成，其中矢量控制程序在定时中断服务程序 中，ＭＲＡＳ转子位置／速度的自检测程序作为 子程序被调用。实验中需要对转子位置和转 速的实际值与估算值进行比较，故需要在程序 中添加读取光电编码器信息并计算转子实际 位置、速度的环节 。 转子（１ ５００ ｒ／ｍｉｎ）位置和转速的估算值 与实际值的实验波形图如图５所示。由图５ 可以看出，转子位置估计能够比较准确地跟踪 实际位置，但转速仍有１５ ｒ／ｍｉｎ左右的波动。 ’ ＿● －－ ｆ － …ｌ ｌ Ｅｉ ｉ ．Ｉ ｉ ． １ ８ｏ／ｃ ｉｌｖ Ｉ ｊ ： ｝－’ ≯ Ｅ。 ／ ／ ３ Ｐ７１Ｉ ￣ Ｉ ｒ】￡Ｈ 器： ｊ２０Ｏｍｎｓ ．．： ｝ … ‘ ａ）转子位置的估算值ｆ ）与实测（ ，｝ 一 ｎ ＿ ＿： ：６００（ｒ／ｍ ｎ）／ｄｉｙ ．。 ： ● ０Ｉ 一 ■，． ，． ． ’ ０ ： ６００ｆｒ／ｎ ｌｉｎ）／ｄＪｖ ◆ ｑｓ（，ｒｌ ＣＨ ５０ｏ ５Ｄｍｓ （ｂ）转速的估算值（＾】与实测值《ｎ】 图５ 转子位置和速度的估算值与实际值 转子位置估算误差如图６所示。从图６ 中可知，转子位置估计误差约为２．９。，说明该 方法具有较高的检测精度。由实验结果可知， 在较高速范围内，转子位置和转速的估算值能 Ｉ÷ ＩｃＨ１。１０ｏ １ｏｏ 图６转子位置估算误差 ５ 结论 设计了以ＭＲＡＳ为理论基础、以ＤＳＰ芯片 为控制器的永磁同步电机的转速估计闭环控 制系统，估计了电机转速与转子的位置。仿真 及实验结果表明，此方法能够较有效地实现电 机无速度传感器控制。 参考文献 ［１］林平，胡长生，李明峰，等．基于模型参考自适应 系统算法的速度估算核的研制［Ｊ］．中国电机 工程学报，２００４，２４（１）：１１８—１２３． ［２］徐静，段芳，江天炎．模糊ＭＲＡＳ方法在永磁同 步电机无速度传感器控制系统中的应用［Ｊ］． 电机与控制应用，２０１５，４２（１２）：５５—５８． ［３］ Ｋｉｍ ＹＳ，Ｓａｎｇ ＫＫ，Ｋｗｏｎ ＹＡ．ＭＲＡＳ ｂａｓｅｄ ｓｅｎ－ ｓｏｒｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ［Ｃ］．Ｓｉｃｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００５，２：１６３２— １６３７． ［４］ 韩世东．基于ＭＲＡＳ的永磁同步电机无速度传 感器控制研究［Ｄ］．南京：南京工业大学，２０１６． ［５］张卿杰，徐友，左楠，等．手把手教你学ＤＳＰ：基 于ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５［Ｍ］．北京：北京航空航天大 学出版社，２０１５：１６—２０． ［６］Ｌｉ ＷＨ，Ｃｈｅｎ ＺＹ，Ｃａｏ ＷＰ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅ．ａｒｃｈ ｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｓｅｎｓ０ｄｅｓｓ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｏｒｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＲＡＳ［Ｃ］．Ｉｎｔｅｒ－ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ％ ｅｌｅｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｄｉａ Ｔｅｃｈ． ｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．２０１３：３５０—３５５． （责任编辑吴鸿霞）
