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摘要：位置传感器在改善电机控制精度方面发挥着重要的作用，但同时也增加了电机的成本和维护费用。永磁同步电机无位置传感器控制策略能够有效降低电机的总体造价，同时可以获得更高的控制精度。本文首先对永磁同步电机建立完整的数学模型，实现永磁同步电机的高性能控制方式。
关键词：永磁同步电机；无位置传感器；控制策略
1永磁同步电机的组成
同步电机的定子绕组是按照正弦分布的，当将定子用永磁材料代替时将不需要额外的励磁绕组，永磁同步电机结构可以做出简化，当定子绕组接入正常的三相交流时，将使得电机产生电磁转矩可以实现电机转动，称这种电机为永磁同步电机（简称PMSM）。永磁同步电机与异步电机相比存在以下优点，这是这些优点使得永磁同步电机表现的比异步电机性能更加优越。永磁同步电机不需要笼型转子，稀土材料做出的同步电机惯性较小，这样当电磁转矩作用后电机能够很快相应；同时永磁同步电机不存在转子损耗，这样效率就较异步电机高；其中最明显的特点就是永磁同步电机不需要额外的励磁电流，这样在做同等容量的电机时，永磁同步电机可以做的尺寸更小，这就使得永磁同步电机所具有的功率密度较异步电机高。永磁同步电机想要实现高效的运行需要进行数学模型简化，由于永磁同步电机是含有多种变量的非线性多耦合的微分方程构建的动态系统，因此想要实现转矩的线性控制就需要将非线性部分解耦成为线性结构。解构方式可以通过将三相静止坐标系转换为两相静止或旋转坐标系下独立分量进行单独控制，然后与高效的控制方案相结合。永磁同步电机的定转子间不存在准差率，这样在控制的过程中没有转子参数的影响，这将更容易实现电机的高性能控制。
2基于基波数学模型的无传感器控制方法
矢量控制与直接转矩控制都需要得到转子的位置信息，由于需要传感器的测量，增加了电机控制系统的成本，因此希望将位置传感器进行简化通过转子位置估计实现控制技术，这是电机控制发展至目前的一个重要研究课题。本章主要针模型自适应算法进行分析。模型参考自适应系统（MRAS）在上世纪50年代逐渐发展起来，整个模型自适应参考系统可以分为3个组成部分：可调模型、参考模型与自适应律。在实际的控制过程中，整个系统的参数将会受到较多参数变化的影响，其中有由于模型内部参数的变化造成，这主要有系统结构的变化、系统随时间内部状态将发生变化等内部原因造成，也有当控制过程中外部检测设备噪声产生的干扰造成的控制结果不理想。这是由于在控制的过程中受到内部或外部等问题产生的较多的影响，使得控制目标往往与控制结果不符，造成不能满足系统需要的性能要求，因此在基于系统模型建立的控制方法中往往不能把这些因素消除，只能在有限的范围内进行控制。为了能够在控制的过程得到较好的效果，就需要控制系统能够在控制的过程中针对出现的各种情况作出一定的反映，将系统的状态调整到所需要的控制状态上，这种能够自适应的控制系统一般在控制的过程中需要对控制的输入、输出、控制系统结构等参数进行跟踪分析，通过输出对控制系统的进行内部调整，采用一定的校正环节使得系统的控制环节发生变化以适应系统内部或外部参数造成的影响。这种能够自适应改变控制结构参数使得系统能够优化的方法目前可以分为两种类型，即：模型参考自适应控制和自校正控制。其中模型参考自适应控制有内环与外环组成，内环主要为控制器与受控对象组合而成，内环结构为可调系统；外环主要有参考模型与自适应机构组成。这种组成结构相当于在正常的控制系统外增加了一个校正控制器的环节，使得在控制的过程中也能对控制器进行调节。在系统控制过程中，参考模型为给定了系统的运行指标，其能够表现为系统的较好响应结果，当对信号进行控制时分别通过参考模型与可调模型，这样将会输出两种控制系统的响应。
当可调模型的响应与参考模型的响应相比较时就能通过二者之间的误差反映出可调模型的偏差，然后利用响应差作为调整控制器的输入参数，根据一定的自适应定律对可调系统进行调整，使得控制系统的结果能够准确跟踪参考模型的响应。通过对于模型参考自适应系统的描述可以发现整个系统的核心问题在于自适应定律的设计环节，为了使得整个系统能够很好地跟踪参考系统，有两种方式可以进行自适应率的确定。一种为参数寻优类算法，这种算法可以实现系统中的控制器的参数在众多参数组合中找到目标函数的最优或者次优解。另一种方式采用稳定性理论对参数的自适应过程进行调整，在对参数的调整过程中始终保持着系统的稳定性，其中包括基于Lyapunov稳定性理论的设计方法和基于Popov超稳定性理论的方法。
3基于高频信号注入无传感器控制
经过第四章对于无位置传感器控制的理论分析与仿真可知，无位置传感器控制都能实现转速估计，但是在低速与零速时估计出现较大误差，这是上述两种方法的不足之处。为了克服电机零速、低速下的转速准确估计问题，本章采用注入高频信号的方法。脉振高频注入信号是在同步旋转dq坐标系中的d轴上进行高频信号注入，将其转换到静止坐标系中相当于增加了一个脉振信号，本节主要研究脉振电压信号注入法。进行高频信号的注入一般是采用逆变器进行频率转换，电机控制中使用的逆变器一般为中小型逆变器，可以实现高频变换，由于逆变器的开关频率在10-20kHz，因此可以实现高频信号的注入。同时高频信号的注入可能需要考虑噪声的影响，噪声变化是其中需要考虑的环节，噪声的来源主要包括逆变器死区与直流母线电压变化。载波信号的选择需要考虑一下几个因素。基波频率、开关频率、信号带宽等。当高频信号的频率为开关频率的50%以上时，容易产生混杂信号产生误差，但载波信号又不能太小，这样就会与原始的基波信号混合，不易分离出来，这就需要高频信号容易分离。考虑到载波信号的时候也要考虑载波信号的幅值，信号幅值不能太大，太大会对基波信号产生较大的干扰，使得电机不能正常的额定运行，同时需要考虑电机控制环节中的一些参数设置，因此高频信号的电压一般选取基波电压的10%左右，频率一般为0.5-2kHz。
4无传感器控制系统设计
永磁同步电机的无传感器控制在理论方面可以通过现代的控制算法进行实现，同时也需要对永磁同步电机的无传感器器硬件与软件部分进行设计。整个系统是包含了电机的参数检测，高性能电力电子控制、检测与测量技术。为了实现整个复杂的系统，主要是实现控制算法部分需要采用数字控制进行控制。其主要原因是数字控制与模拟控制相比能够实现更复杂的控制方法，同时数字控制内部电路高度集成化，不会受到模拟控制中原件参数不准确的影响，同时由于电路集成整个系统较为稳定。控制系统的组成离不开高性能的数字信号处理芯片，本节采用TI公式的TMS320F28335DSP芯片作为永磁同步电机无传感器控制的核心，从而构建整个控制系统。整个系统分为三个主要部分。功率部分：电路中的主回路、驱动电路、辅助电路，通过将电能供给永磁同步电机，使得能够运转，同时电路中采用的一些芯片需要额外提出电路进行供电；控制电路：由主控芯片组成的控制电路对电机控制系统中的各种变量进行采集，同时产生复杂计算与参数调节产生驱动变换器信号等。显示电路：用于将采集到的信号进行外部显示，实时监测系统中的参数变化，起到人机交互的目的，能够对电机的运行状态直观地了解。
5结束语
随着高性能电机的广泛应用，高性价比的电机愈来愈受到人们的青睐，而高性能电机的控制参数多且复杂，减少检测设备优化电机控制系统成为必然的趋势。因此研究无传感器电机的控制方法就成为本文研究的重点。
参考文献
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