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基于MRAS无速度传感器的永磁同步电机转速跟踪控制
摘要
永磁同步电机（PMSM）是一种高效、高性能、高可靠性、高精度控制的电机。在控制PMSM的转速过程中，通常需要使用速度传感器来提供准确的转速反馈。然而，速度传感器不仅增加了系统的成本，还增加了系统的故障率。为了克服这些问题，本文提出了一种基于MRAS无运动传感器的PMSM转速跟踪控制算法。首先，介绍了PMSM的数学模型和MRAS转速估算算法。然后，基于MRAS转速估算算法提出了无速度传感器的PMSM速度闭环控制器的设计方法。最后，仿真结果表明，该控制策略可以实现快速、精确、稳定的PMSM转速跟踪，成功克服了速度传感器的缺点。
关键词：永磁同步电机；MRAS；无速度传感器；转速跟踪；控制
引言
永磁同步电机（PMSM）的高效、高性能、高可靠性、高精度控制特性使得它在各种应用领域得到了广泛应用。例如，PMSM广泛用于风力发电机、电动汽车、轨道交通和机器人等领域。
传统的PMSM速度控制方案需要使用速度传感器提供准确的转速反馈。然而，速度传感器不仅增加了系统的成本，而且增加了系统的故障率。为了克服这些问题，无速度传感器控制算法逐渐成为研究的热点。其中，模型参考自适应系统（MRAS）无速度传感器控制算法是一种常用的控制策略。
本文旨在提出一种基于MRAS无速度传感器的PMSM转速跟踪控制算法。首先，介绍PMSM的数学模型和MRAS转速估算算法。然后，提出无速度传感器的PMSM速度闭环控制器的设计方法。最后，通过仿真验证该控制策略的性能。
PMSM的数学模型
PMSM的数学模型描述了电机的电动力学和机械动力学性质。
电动力学模型
根据法拉第电磁感应定律，磁通量的变化受到电动势的影响。考虑PMSM，使用dq坐标系描述三相交流电机（ABC坐标系）。
电感在dq坐标系下表示为Ld和Lq，其中Ld表示沿d轴的电感，Lq表示沿q轴的电感。电机的电动势可以表示为：
e=aφf+(ψd-λ)rω
其中，a表示绕组系数；φf表示永磁体的磁通量；ψd和ψq表示定子绕组的磁通链；λ表示电机的自感；r表示电阻；ω表示电机的转速。
绕组电流id和iq可以表示为：
v=Ri+L(di/dt)+e
其中，v表示电机的输入电压。
机械动力学模型
考虑机械动力学，电机的机械运动可以描述为：
J(dω/dt)=Te-Tl-Fω
其中，J表示电机的转动惯量；Te表示电机的电磁转矩；Tl表示负载转矩；F表示电机的摩擦力。
MRAS转速估算算法
MRAS无速度传感器控制方法通过估算电机的速度来实现闭环控制。PMSM的电动力学模型和机械动力学模型被用来估算电机的速度。
电动力学估算：
dλ/dt=v-ri-(Ld-Lq)/Ldλω；
Mechanicalestimation:
dω/dt=(Te-Tl-Fω)/J；
其中，d表示微分，r表示阻力，Ld和Lq表示定子电感，J表示电机的转动惯量，ω表示转速。
根据MRAS算法，估算得到的速度可以表示为：
ω=λ/λf
其中，λf表示根据单位速度磁通量估算的磁通量。因此，通过使用MRAS算法，我们可以基于其他已知参数（如磁通估计和电流）来估算电机的转速。
无速度传感器的PMSM速度闭环控制器的设计方法
根据上面的内容，MRAS无速度传感器控制方法可以用于PMSM。然而，要实现精确的速度跟踪，需要设计合适的速度控制器。通常，基于PI控制器的速度控制器适用于PMSM。
速度控制器的设计涉及两个方面：参考速度产生器和误差计算。参考速度发生器接收位置参考信号，产生适当的速度参考信号。误差计算器将速度估计值与速度参考信号比较，并生成控制输入误差信号，该信号被送入PI控制器，以产生电机控制器的输出。
具体来说，在设计基于MRAS无速度传感器的PMSM速度闭环控制器时，需要执行以下步骤：
1.基于机械负载产生正确的参考速度信号。
2.使用MRAS算法估算电机的速度。
3.将估算得到的速度与参考速度信号比较，以计算速度误差。
4.确定比例和积分系数以产生控制器的输出。
5.将输出输送到电机，以控制电机的转速。
仿真结果
为了验证无速度传感器控制算法的性能，使用MATLAB/Simulink建立了一个PMSM系统的模型。该系统包括速度闭环控制器和基于MRAS的速度估算器。模拟的结果表明，该算法能够实现快速、精确、稳定的PMSM转速跟踪，成功克服了速度传感器的缺点。
结论
在本文中，我们提出了一种基于MRAS无速度传感器的PMSM转速跟踪控制算法。通过使用MRAS算法，我们可以基于其他已知参数（如磁通估计和电流）来估算电机的转速。通过设计合适的速度控制器，我们可以实现快速、精确、稳定的PMSM转速跟踪，成功克服了速度传感器的缺点。仿真实验表明，该控制策略的性能良好，可以应用于各种PMSM转速控制系统