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

徐　静，　段　芳，　江天炎

(1. 重庆电力高等专科学校 电力系，重庆　400053;

2. 国网重庆市电力公司 南岸供电分公司，重庆　400060)



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

徐静1，段芳2，江天炎2

(1. 重庆电力高等专科学校 电力系，重庆400053;

2. 国网重庆市电力公司 南岸供电分公司，重庆400060)

摘要：模型参考自适应系统( MRAS)由于结构简单，因而在无速度传感器永磁同步电机控制中被广泛采用，用来估算转子位置和转速，但是在周期性脉动负载工况时，MRAS中恒定单一的比例积分(PI)控制器不能很好地满足控制性能的要求。为了避免在不同转速和负载条件下复杂的PI参数调整，研究了基于模糊控制技术的永磁同步电机无速度传感器系统。该调速系统采用转子磁链定向的矢量控制作为其基本的控制策略，利用MRAS对转子位置和转速进行估算，提出了一种基于模糊控制的MRAS。该系统中应用模糊控制器替代PI控制器，省去了需要调整PI参数的麻烦。通过仿真证明了该方法的有效性和可行性，仿真结果表明，基于模糊控制的MRAS能够很好地实现周期性脉动负载工况下电机转子位置和转速的估算，具有较好的鲁棒性。

关键词：空调压缩机； 内置； 永磁同步电机； 模型参考自适应系统(MRAS)； 模糊控制

0引言

内置永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)由于其高性能和高效率等优点被广泛应用在各种工业场合，尤其是在空调压缩机和输气管道压缩机驱动系统中。由于在压缩机内部无法安装位置传感器，考虑到整个驱动系统的成本和可靠性，必须采用无传感器技术。

文献[1-2]介绍了一种易于实现的适用于IPMSM的模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System, MRAS)方法。该系统将比例积分(PI)控制器[3]应用于恒定负载工况下，通常能得到很好的控制性能，但在脉动的压缩机负载工况时，恒定单一的PI控制器不能很好地满足控制性能的要求，原因在于采用模型参考自适应的永磁同步电机驱动压缩机系统中，估算的转子转速脉动情况与实际的转子转速脉动情况在很大程度上受到MRAS中PI参数的影响，造成估算的转子位置与实际的转子位置之间有误差。因此在实际控制中，需要根据实际的运行转速和负载状况来相应地调节MRAS中的PI参数，往往造成一定程度上的不便。模糊控制技术[4-5]是近年来应用于电机控制的一种新方法[6-9]，将模糊控制技术应用于无速度传感器异步电机MRAS中，以实现MRAS中PI参数的在线自整定、甚至取代传统的PI结构的研究已见诸文献，取得了较好的控制性能[10-13]。

本文首先介绍了经典的MRAS，在详细介绍模糊控制技术的基础上，借鉴基于模糊控制的无速度传感器异步电机MRAS，提出了一种应用模糊控制技术的无速度传感器永磁同步电机MRAS结构，能够很好地实现周期性脉动负载工况下电机转子位置和转速的估算，且无需调整PI参数。仿真结果也证明了上述方法的可行性和有效性。

1MRAS用于IPMSM无传感器控制

1.1永磁同步电机电磁模型

在d、q坐标系下，永磁同步电机的电压和磁链方程为

(1)

(2)

式中：ud、uq——d、q轴定子电压；

R——定子电阻；

id、iq——d、q轴定子电流；

Ld、Lq——d、q轴定子电感；

ψd、ψq——d、q轴定子磁链；

ψr——转子磁链；

ω——电角速度。

1.2经典模型参考自适应系统

由于转子角速度ω已经包含在电机的电流方程中，因此可以选择IPMSM的电流模型作为可调模型，电机本身作为参考模型，两个模型具有共同的输出id和iq。根据两个模型输出的不同，通过自适应算法来修改可调模型的参数，由此得到转子位置和转速的估算值。此即为经典的模型参考自适应方法[2]。

将式(1)中d、q轴电流id和iq作为永磁电机状态变量，得到其电流模型为

(3)

因而其可调模型为

(4)

根据Popov超稳定性定理，可以得到转子转速的估算式为

(5)

图1　MRAS转速辨识算法控制框图

2模糊控制技术在MRAS中的应用

2.1模糊MRAS系统设计

在常规的MRAS中，需要一个自适应PI调节器来调节可调参数。文献[14]采用模糊PI 作为模型参考自适应观测器的调节器，通过模糊PI 自适应调节器来调节可调模型的可调参数。本文在此基础上提出一种基于二维模糊控制器的MRAS，将二维模糊控制器作为非线性最优控制器，以最小化电流误差。图2所示为基于模糊控制技术的MRAS。

图2　基于模糊控制技术的MRAS

图2中，电流误差e(t)定义为

(6)

模糊控制器的输入为e和ep(其中e为电流误差，ep为电流误差的变化率，ep=de(t)/dt)，输出为估算转速的变化率，最后通过积分来获得估算转速值。

模糊控制器的输入比例因子ke、kc和输出比例因子ku的选择会影响整个模糊逻辑控制器的控制性能。本文通过误差调整来整定上述几个比例因子的值以确保整个模糊控制器的性能。

2.2模糊控制规则设计

图3为二维模糊逻辑控制器的输入e和ep的隶属度函数，其中NB为负大(negative big)，NM为负中(negative medium)，NS为负小(negative small)，ZE为零(zero)，PS为正小(positive small)，PM为正中(positive medium)，PB为正大(positive big)。图4为二维模糊逻辑控制器的输出估算转速变化率隶属度函数，其模糊控制规则设计如表1所示。

图3　模糊控制器输入e和ep隶属度函数

图4　模糊控制器输出估算转速的变化率隶属度函数

eepNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMNSZENMNBNBNMNMNSZEZENSNBNMNMNSZEZEPSZENBNMNSZEPSPMPBPSNSZEZEPSPMPMPBPMZEZEPSPMPMPBPBPBZEPSPMPBPBPBPB

3仿真分析

本文选取空调压缩机的1.5kW IPMSM来验证模糊MRAS方法的可行性，搭建了系统Simulink 仿真模型，并进行了仿真研究。图5所示为整个永磁同步电机的系统控制框图，图6所示为周期性脉动负载，电机参数如表2所示。

图5　整个永磁同步电机系统控制框图

图6　周期性脉动负载

试验参数名称参数值d轴电感Ld/H0.005674q轴电感Lq/H0.016138电子电阻R/Ω1.093反电动势系数KE/V(rad·s-1)-10.2979极对数p2直流母线电压Udc/V300控制频率f/Hz10k逆变器死区时间Tdead/μs4.0

图7、图8分别为给定转速1200r/min和2400r/min时，电机实际转速和利用模糊MRAS方法估算到的转速稳态波形。实线表示电机实际转速波形，虚线表示利用模糊MRAS方法估算到的转速波形。可以看到，在上述两种转速条件下，模糊MRAS均能实现转子转速的估算，且转速估算误差维持在较低的水平。

图7　实际转子转速与模糊MRAS方法估算转子转速(1200r/min)

图8　实际转子转速与模糊MRAS方法估算转子转速(2400r/min)

4结语

本文提出了一种模糊控制技术的无速度传感器永磁同步电机MRAS结构。该方法利用模糊控制器替代MRAS中传统的PI控制器，省去了调整PI参数的麻烦。仿真结果表明，采用本文提出的模糊MRAS方法，能够实现周期性脉动负载工况下永磁同步电机转子转速的估算，且转速估算误差维持在较低的水平。

【参 考 文 献】

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A Fuzzy Logic Based MRAS Scheme Used in Sensorless Control of

Permanent Magnet Synchronous Motor Drives

XUJing1,DUANFang2,JIANGTianyan2

(1. Department of Electric Power, Chongqing Electric Power College, Chongqing 400053, China;

2. Nan’an Power Supply Corporation, State Grid Chongqing Electric Power Company,

Chongqing 400060, China)

Abstract：Model reference adaptive system (MRAS) is widely employed for the rotor position/speed estimation in sensorless interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) drives due to its simple scheme, while constant parameters of PI regulator in MRAS cannot meet the requirement of performance with cyclic fluctuating load. In order to avoid the complicated manual tuning of the control parameters in the conditions of different rotation speeds and loads, the fuzzy control employed in sensorless control of permanent magnet synchronous motor drives was investigated. A rotor flux oriented vector control with MRAS based rotor position/speed estimation was employed as the basic control strategy for PMSM system, a fuzzy logic based MRAS scheme was proposed in which a fuzzy controller replaced the conventional PI regulator. Simulation results demonstrated the feasibility and effectiveness of the proposed fuzzy logic based MRAS scheme, which showed good robustness that the rotor position/speed was well estimated under cyclic fluctuating loads.

Key words：compressor of air condition; interior permanent magnet synchronous motor; model reference adaptive system (MRAS); fuzzy control

收稿日期：2015-05-27

中图分类号：TM 341

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2015)12- 0055- 04

通讯作者：徐静