武汉理工大学文献翻译
永磁同步电动机自适应控制参考模型（第1章、第2章）
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伺服电机原理
学院： 汽车工程学院
专业班级： 汽车服务zy1301班
学生姓名： 朱世凡
指导教师： 曾娟
永磁同步电动机自适应控制参考模型
本文采用直接模型参考自适应控制的经典理论，建立了永磁同步电机控制算法。永磁同步电动机模型被广泛应用于电驱动领域，作为控制系统开发的基础。常规使用的控制器被自适应控制器取代。由此产生的控制系统适应任何永磁同步电机参数的变化。
关键字：自适应控制参考模型，永磁同步电机
1.引言
永磁同步电机（PMSM）最常见的控制方案是使用电压源逆变器的转子磁场定向矢量控制与[ 1，2 ]。通常使用脉冲宽度调制（PWM）调制电压。为了得到转子dq参考值需要知道转子位置。转子的位置可以通过的编码器获得，或在所谓的无传感器控制的情况下，估计转子位置。转子速度可以通过转子位置来测量。
速度调节器给出了指令转矩，这被认为与q轴电流分量参考值成正比。考虑到永磁同步电机的永磁体，在d轴的分量不利于产生扭矩，因此其参考值设置为零。为了使用两个电流闭环解耦去耦块。加入解耦指令电压从dq坐标系转化为静止坐标系的极值后。通常PI控制器用在电流控制回路和速度控制回路中。
目前的控制器设计通常是基于永磁同步电机模型，它是通过使用物理定律。通常使用模型描述永磁同步电机的基本动力[ 3 ]。高精度驱动控制器设计的目的是设计出非正弦磁通密度分布的永磁同步电机[ 4，5 ]。永磁同步电机模型的电气参数可以从电机数据表或采用适当的识别方法。
当前的闭环动态要求响应迅速。然后驱动器的转矩也要响应迅速。在高性能驱动器的转矩上升时间约1毫秒。在这种情况下，电机模型参数的确切值必须知道。否则，设计的电流控制器可能无法达到预期的性能。在去耦块的设计中，了解精确值更为重要。不精准的去耦导致电流控制系统的性能显著恶化[ 6 ]。然而，该电磁子系统参数的准确识别是具有挑战性的，特别是考虑到更全面的永磁同步电机模型的参数数量在逐渐增加。此外，电磁系统的参数在不同的工作条件下的变化非常敏感，尤其是在温度变化时。
通过电磁参数变化引起的干扰可使用一个自适应系统参考模型（MRAS）来进行线上评估，并通过反馈值进行补偿。这使得去耦更准确，因此一些模型的电流控制器的动态性基本保持不变。
通过电磁参数的变化引起的扰动的估值也可以用于使转矩脉动波动最小[ 7 ]。不希望的转矩脉动主要是由于永磁同步电机的非正弦磁通密度分布产生的。该永磁同步电机属性可以使用适当的模型[ 4，5 ]。估测干扰值的主要目的是为了确保去耦的准确性，但这个干扰信号还包含可用于电流参考信号整形的信息。追踪所产生的电流参考值可保证转矩脉动最小化,这个原则也可应用于[ 8 ]。MRAS系统用于在线估计磁链的干扰。这些干扰值可用于处理并获得确定的永磁同步电动机模型参数值。然后，这些值被用作被设计为模块的参数来确定电流的参考信号整形。然而，这种方法并不能确保去耦的准确性。去耦精度和电流参考信号整形参考[ 9 ]。但并非所有的电流控制律参数直接进行自适应调整，其中一些被认为是已知的。
如上所述，速度调节器给出了命令转矩。在许多情况下，这个命令转矩被转换为当前使用的电机转矩常数。考虑到标准时间分离原理，当前的动态变化被认为是无穷快时，被控系统减少到电机机械子系统的传输。在这种情况下，主要的未知参数是转动惯量和粘性摩擦系数。负载转矩作为控制输入扰动。在基于这种情况的简单MRAC例程可以在[ 10 ]中找到。在许多情况下，使用基于MRAS估计的电机机械参数，主要负载转矩参考[ 11，12，13 ]。速度和电流控制回路采用自适应控制技术进行同步设计，参考[ 14 ]。
一般来说，永磁同步电机构成的两个子系统，电磁系统和机械系统。每个子系统的控制算法可以单独设计。在电磁系统中，后续的特性参数很重要。目前的动力参数必须相对快速。通常认为约1毫秒是合适的时间常数。两个电流控制回路的去耦必须是准确的，否则电流控制器的性能将会退化。当转矩脉动的最小化需要额外的去耦模块时，由参考电流到参考力矩的转换必须得到满足。电磁系统参数的精确值是未知的，很难确定它们的精确值，它们的值可以随工作条件的变化而变化。随着负荷的变化，机械子系统的参数在很大范围内变化，主要是转动惯量和负载转矩。当速度闭环动态给定的参考模型或由极值配置的标准PI控制器可能无法解决这样的干扰。虽然，一些稳态要求仍然可以满足。但是，在高性能应用中，速度和位置的动态也是重要的。
在本文中讨论的直接自适应控制的经典理论，如在[ 15，16，17 ]中是用来为每个永磁同步电机子系统开发一个控制算法。目的是通过模拟来对闭环系统的性能进行研究。永磁同步电动机模型被广泛应用于电力驱动领域，是控制领域发展的基础。
2同步旋转坐标系下的永磁同步电机模型
永磁同步电机表面磁体与转子的各向同性，即本体和定子绕组互感不取决于转子的位置，在dq坐标系的关系为：
在omega;rad / s是转子转速时，theta;是用弧度测量转子的位置，P是极对数，omega;E = Pomega;，theta;E = Ptheta;是角速度和位置。MM是由电机产生的转矩，PMech是电能，会转换成机械能的一部分，Mz是负载转矩，J是惯性和BF是粘滞摩擦系数。UD和UQ是d轴和q轴的静态电压，id和iq是定子电流，R为定子绕组的电阻，Ld和Lq在同步旋转坐标系下的定子电感，LD = LQ，D和Q是总磁通，Drot和qrot是由永磁体建立的磁通连接。
当转子和定子的磁场分布不是正弦的，永磁体磁通联系可以被看作是一个基本组成部分和高次谐波的一系列的总和，见[ 4，5 ]
当的高次谐波的振幅出现。对于良好的永磁磁链，它是足以保持这一系列参数达到12谐频。
伺服电机原理
1.交流伺服电动机
交流伺服电动机在构造方面与电容分相式单相异步电动机相近.定子上边装有两个相差90°的绕组，其中一个是励磁绕组Rf，它一直接在交流电压Uf上；而另外一个是控制绕组L，其控制信号电压Uc。因此交流伺服电动机又被称有两个伺服电机的电动机。交流伺服电动机的转子常做成笼式，但为了使伺服电动机具有比较宽的调速范围、线性的机械性能，无“自转”现象的性能，相比普通电动机，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前经常应用的转子结构有两种：一种是采用高阻导电材料做成的有着高电阻率的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，把转子做得细长；另外一种是铝合金做成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，需要在空心杯形转子里边放置一个固定用的内定子.空心型的杯状转子的转动惯量比较小，反应迅速，并且运转平稳，索要被广泛采用。交流伺服电动机在没有电压去控制的情况，定子里边只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子保持静止状态。当有控制电压的情况下，定子内部产生了一个旋转磁场，转子沿磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速沿着控制电压的大小变化，当控制电压的相位相反的时候，伺服电机反转。交流伺服电动机的工作原理与分步异步电动机虽然比较相似，但前者的转子电阻比后者大很多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著的特点：
1、起动时的转矩比较大，并且由于转子的电阻比较大，其转矩特性曲线与一般的异步电动机的转矩特性曲线相比，有着十分明显的区别。它能够让临界转差率S0＞1，这样不仅可以让转矩的特性曲线（机械特性曲线）更接近于线性，还能够具有比较大的起动转矩。因此，当定子有控制电压的一刻，转子立即转动，也就是具有起动快、灵敏度高的特点。
2、运行的范围比较广
3、没有自转的现象。正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转，而一旦伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子的电阻很大，定子中的两个相反方向旋转的磁场和转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）和合成转矩的特性曲线（T－S曲线）交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电机运行稳定、噪音小。但控制特性不是线性的，并且由于转子的电阻大，损耗大，效率低，所以与同容量的直流伺服电动机相比，体积大、重量大，所以一般只适用于0.5-100W的小功率控制器。
2.伺服电机选型方法以及与步进电机的性能比较
步进电机是一种开环控制系统，与现代数字控制技术有着联系。在现代国内的数字控制系统中，步进电机的应用较广。随着全数字式的交流伺服系统的出现，交流伺服电机也在数字控制系统中的应用也越来越多。为了适应数字控制系统的发展趋势，运动控制系统中大多采用的是步进电机或全数字交流伺服电机作为执行电机。虽然两者在控制原理相似（脉冲和信号），但在使用性能和应用场合上有较大的差异性。现在对于二者的使用性能做一个比较。
一、控制精度不同：两相混合式步进电机角度一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机角度一般为0.72 °、0.36°。也有的高性能的步进电机通过更加细分后角度更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机的角度可以通过开关来进行设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的角度。电机后端的旋转的编码器来保证了交流伺服电机的控制的精度。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于有着标准的2000线的编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲量为360°/8000=0.045°。对于有着17位编码器的电机而言，驱动器接收131072个脉冲电机之后转一圈，即他的脉冲量为360°/131072=0.0027466°，是角度为1.8°的步进电机的脉冲量的1/655。
二、低频特性不同，低频振动现象易出现在步进电机在低速时候。振动频率、负载情况和驱动器件的性能有关，一般我们认为振动的频率为电机空载启动的频率的一半。在由步进电机的工作原理来进行决定的低频振动现象下运转对于机器的正常运转非常不利。步进电机工作在低速的时候，一般应采用阻止的技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用精细分级的技术等。交流伺服电机的运转过程非常平稳，即使在低速运转的时候也不会出现振动现象。交流伺服系统具有抑制共振的功能，但其包含的机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可以检测出机械的共振点，便于对系统进行更改。
三、力矩的频率特性不同，步进电机的输出力矩随转速增大而减小，且在较高转速时会迅速下降，所以它的最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机一般为恒力矩输出，它的额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能够输出额定转矩，在额定转速以上的范围为恒功率输出。
四、过载能力不同的步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋的交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载得能力。它的最大转矩为额定转矩的二到三倍，可以用于克服在启动的瞬间惯性负载的惯性力矩。而步进电机由于没有交流伺服电机的过载能力，因此在选型的时候为了克服惯性力矩，通常需要选取较大的力矩的电机，而机器在正常工作的期间一般不需要这么大的转矩，所以就出现了力矩浪费的现象。
五、运行的性能不一样。步进电机的控制系统为开环控制系统，丢步或堵转的现象容易出现在启动频率过高或负载过大的情况下，停止的时候转速过高容易超过充电的标准值的现象，控制精度，应好好处理好升、降速问题来确保控制精度。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可以直接采集电机编码器的反馈树脂信号，内部的结构有位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢失或过度充电的现象，控制的性能更加可靠。
六、速度响应的性能。不同的电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）一般需要200～400ms。交流伺服系统的加速性能良好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到它的额定旋转速度3000RPM只要几毫秒，可用于要求快速启动停止的控制系统场合。综上所述，交流伺服控制系统在很多性能方面都比步进电机好。但有的时候在一些要求不高的场合也经常使用步进电机来作为执行电动机。所以，在控制系统的选择电机的过程中要综合考虑控制需求、成本等多方面的因素，选用合适的控制电机。
3.选型计算方法
一、转速和编码器分辨率的确认。
二、电机轴上负载力矩和加减速力矩的确认。
三、计算负载惯量，惯量的匹配，伺服电机为例，一些产品的惯量匹配可能会达到50倍，但其实越小越好，这样对控制精度和电机的响应速度更好。
四、再生电阻的计算和选择，对于伺服电机的再生短租，一般需要2kw以上，需要另外配置。
五、电缆的选择，编码器的电缆是屏蔽的，对于日系的伺服电机的产品绝对值编码器是6芯，增量编码器是4芯。
4.直流伺服电机特点
一、直流无刷电机的特点：
1.转动惯量小、启动电压低、空载的电流小；
2.接触式换向系统，显著提高电机转速，最高转速可达100000rpm；
3.无刷伺服电机在执行伺服控制的时候，无需编码器也能够实现速度、位置、扭矩等的控制；
4.没有电刷磨损状况，除有高转速之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点；
二、直流有刷伺服电机特点：
1.体积小、动作反应快、过载的能力大、调速的范围宽；
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