张虎;孙安博;樊生文
【摘 要】PMSM因其特有的高效性、易控性等优点受到越来越多的青睐，而无速度传感器技术的提出更是为PMSM控制技术开启了新篇章。随着无速度传感器技术的高速发展，多种转子转速估算方法应运而生。然而，每种算法各有优劣，为了获得更准确的转速估算值，在不同的应用场合必须因地制宜的选择速度估算算法。为了方便对各种常用算法横向比较、客观评估，对几种常用速度估算算法需要有所了解，遂有此文。 脱硫塔内衬防腐【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】6页(P21-26)
【关键词】PMSM;无速度传感器;转速估算
【作 者】张虎;孙安博;樊生文
【作者单位】北方工业大学电力电子与电气传动北京市工程中心，北京 100144;北方工业大学电力电子与电气传动北京市工程中心，北京 100144;北方工业大学电力电子与电气传动北京市工程中心，北京 100144
【正文语种】中 文
【中图分类】TM315
程控电压衰减器
0 引言
永磁同步电机（PMSM）是随着现代电力电子技术的迅速发展而逐渐兴起的一种新型电机。PMSM具有具有优越的调速性能，主要体现在控制性能好、调速范围宽、运行平稳、效率高等方面[1]。 四甲基环丁烷永磁同步电机的定子是由对称绕组构成，转子则是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的。永磁同步电机的定子和转子与传统直流电机类似，只是定子变为了转子，转子变为了定子，相比于直流电机，最明显的区别在于永磁同步电机没有换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，永磁同步电机的结构得以简化的同时又降低了电机
制造和维护的成本，但是对电机控制器的要求提高了[2]。
在对永磁同步电机的控制过程中，需要实时监测电机的转速，而待测的转速可通过与电机同轴的速度传感器监测并计算出来。但是，有速度传感器的PMSM控制系统也有诸多弊端，增加了生产的成本；对传感器的安装位置要求极高，安装不当则会影响监测精度；增加了电机的转动惯量，对电机的损耗性增加，也增加了维护的成本等等。基于以上种种问题，迫使人们开始重视PMSM无速度传感器控制的研究，成为近年来的热点[3～5]。
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无速度传感器的控制技术是指在不安装速度传感器的前提下，结合永磁同步电机的数学模型，人工整定出一套算法，估算转子的转速。无速度传感器的控制技术优势十分明显，降低了系统的制造和维护成本也避免了由传感器引起的转动惯量增大等弊端，以后必将广泛应用与生产生活中[6]。
早在1955年，以美国D.Harrison为首的科研团队就已经提出了用晶体管换相电路代替机械电刷的理论，并为此申请了专利，为以后PMSM的发展奠定了基础。而PMSM无速度传感器的研究始于20世纪70年代，多年来国内外学者的研究取得了显著的成果。美国的R.D.Lorenz教授于1993年提出了高频注入的方法，发表了多篇学术论文，并获得了多项专
利。韩国的Seung-Ki Sul教授在无速度传感器的控制技术方面也颇有建树。此外，德国的Joachim Holtz教授和澳大利亚的M.F.Rachman教授等等都在从事着相关的研究，为PMSM无速度传感器控制技术的发展做出突出贡献[7]。
1 PMSM无速度传感器速度估算的几种方法
随着无速度传感器控制技术的逐步成熟，涌现出越来越多优秀的速度估算方法，本文将其简单分为线性系统算法和非线性系统算法两大类，方便对比研究。下面就这几种常用算法做简单的介绍。
网版张力计1.1 线性系统算法
1.1.1 基于电压方程的直接计算法
当永磁同步电机的转子在旋转的过程中，永磁励磁磁场会产生反电动势，建立永磁同步电机的数学模型后，在反电动势的公式中包含转子位置角的信息，可依此估算出转子位置角，进而可求出转子转速。
图1 无速度传感器速度估算方法分类示意图
永磁同步电机数学模型：
而反电动势：
据此可得：
进而可得：
此算法的优点是所有变量都可直接测量得到，计算简单，且动态性能好，但是很依赖电机参数，属于开环计算，不能根据扰动的影响自行调整，所以抗干扰性较差。而在实际情况中，环境会对电机参数产生一些影响，这会使转速的估算产生偏差。应用此方法时，一般会结合电机参数在线辨识，会使准确性大大上升。此外，由于式中包含微分项，也会对计算准确性造成影响[8～10]。
1.1.2 基于定子磁链关系的估算方法
永磁同步电机转子旋转速度与磁链旋转速度同步，所以可以通过磁链旋转角度信息推算出转子旋转速度。
永磁同步电机旋转坐标系下电压方程为（忽略反电动势）：
进而可得到定子磁链方程：
定子磁链旋转角度为：
这种方法的弊端有二：1）由于积分的作用会产生零漂、相移等现象，对转速估算准确性造成一定影响。2）鲁棒性较差，当环境变化时，磁路饱和会造成电机参数变化，也使转速估算的误差变大。种种限制，导致基于定子磁链关系的估算方法只能应用于对电机性能要求不高的场合[11]。
1.1.3 假定旋转坐标法组合式桥架
假定旋转坐标系类似于传统旋转dq坐标系，选择了以xy作为参考坐标系，y轴超前于x轴90电角度，所不同的是dq坐标系中d轴是由永磁励磁磁链方向确定的，而x轴是由估算的励磁磁链方向确定的（即估算的转子位置）。
其中，将θΔ定义为x轴与q轴的夹角，这样假定旋转坐标系可以通过控制Ux、Uy来控制旋转电流矢量is。
图2 假定旋转坐标系
假定旋转坐标法的最终目的是使假设转子位置与实际转子转子位置一致，以达到准确的转速估算。具体的实施方法为对θΔ或者可以反映θΔ信息的物理量进行PI运算，进而得到转速的修正值[12]。
假定旋转坐标法能够准确的估算出转子转速，算法相对简单易于实现，但仍然不能摆脱对电机参数变化的影响。而当θΔ处于某些角度时，电角度的误差不会收敛至零，会使转速的估算值一直处于震荡状态，对系统造成极大影响。
1.1.4 模型参考自适应法
模型参考自适应法是目前一种比较常用的转速估算技术，由C.Schauder于1989年首次应用到电机转速辨识当中。模型参考自适应系统的特点是采用参考模型规定系统所要求的性能，其结构如图3所示[13]。
图3 模型参考自适应简图
外部输入同时激励参考和可调模型，两模型的输出具有相同的物理意义。参考模型输出量规定了一个给定的性能指标，这个性能指标与测得的可调模型输出比较后，利用其差值构造适当的自适应律，由自适应律来修改可调模型的参数，使可调模型的输出可以快速且稳定的跟踪参考模型的输出，即使差值逐步趋近于零[14,15]。
