摘要：永磁同步电机（PMSM）因其高功率密度、高效率、高耐久的机械结构和低维护成本而受到制造商们对电动驱动系统的关注。然而，在矢量控制方法中使用转子位置编码器会增加设备成本、增加安装空间，并且对转子轴的机械振动非常敏感。因此，近年来提出了许多无传感器控制方法，并取得了许多重要的成果。不幸的是，通过无传感器控制方法估计的转子速度往往会围绕实际值波动，称为抖动现象。当用于闭环控制环时，抖动是不可避免的，并会降低PMSM速度控制质量。本研究提出了一种先进的模糊模型参考自适应系统（Fuzzy MRAS）算法，通过允许实际和计算的定子电流之间的误差消除，从而改善转子速度调节的质量，以最小化抖动现象。通过使用Matlab/Simulink软件模拟PMSM速度模型，将所提出的控制方法与传统的MRAS和MRAS结合模糊PI控制技术进行比较，证明了所提出的控制方法的优越性。

关键词：永磁同步电机（PMSM） 模糊模型参考自适应系统（模糊MRAS） 抖动现象 无感永磁同步电机控制算法

引言

永磁同步电机（PMSM）因其高效率、高功率密度、低维护成本和较低的永磁价格，在民用和工业应用中越来越广泛地使用。矢量控制方法的普及，包括场定向控制（FOC）和直接转矩控制（DTC），源于其控制结构简单、易操作、可靠和高效的优势。这些基于矢量的PMSM速度控制方法需要转子位置来确定定子磁通矢量角和闭环速度调节中的转子速度值。转子位置传感器，包括编码器/解算器，向控制器提供有关转子位置的信息。然而，这些传感器价格昂贵，对环境干扰敏感，例如振动和/或温度，因此需要额外的空间将这些传感器同轴安装在电机上。寻找合理的解决方案来消除转子位置传感器是提高控制器质量和降低产品成本的强制性要求。不使用转子位置传感器的PMSM速度控制方法被统称为无传感器PMSM控制方法。

如今，数字控制器具有较高的处理速度，能够处理多任务。这使得最近提出和使用了许多无传感器永磁同步电机控制方法。有两种常见的无传感器控制方法：基于模型的无传感器控制方法应用于高速和中速范围，以及基于信号注入的无传感器控制方法应用于低速范围。基于模型的无传感器控制方法包括滑模观测器(SMO)、模型参考自适应系统(MRAS)、扩展卡尔曼滤波器、反电动势方法。在这种控制方法中，观测器根据定子电流和电压来确定转子位置和速度。观测器输出的估计转子速度总是围绕永磁同步电机的实际速度波动，这被称为抖动现象。振荡的程度取决于观测器的参数、负载扭矩、电机的电流和电压。这是基于模型的无传感器控制方法的主要缺点。在低速下，定子绕组产生的电动势不足以估计转子速度。在这种情况下，应用信号注入式无传感器控制方法来确定转子位置。将高频电压注入到定子绕组中，根据定子绕组接收到的高频电流信号来确定转子速度。由于注入到定子绕组中的高频电压的频率远高于逆变器的基频，这种方法不能有效地应用于中频和高频应用。

在PMSM电动执行器的中高速PMSM速度控制要求下，选择了基于模型的控制方法进行PMSM速度无传感器控制。模型参考自适应系统（MRAS）方法由灵活的结构、参考模型和自适应定律组成。由于控制过程不受PMSM明显性的影响，这种MRAS技术适用于SPMSM和IPMSM。MRAS的主要缺点是估计结果的质量高度依赖PI修饰器参数。当操作点发生变化时，这导致估计质量下降。

该论文提出使用模糊模型参考自适应系统（Fuzzy MRAS）算法，而不是传统的MRAS算法，来改善电机速度控制质量。模糊MRAS算法可以通过允许实际和计算的定子电流的误差修正来最小化抖动。模拟结果显示，该方法的贡献是三方面的，包括（i）在工作条件改变时减少速度超调，（ii）减少暂态过渡的稳定时间，以及（iii）减少永磁同步电机速度与参考速度之间的误差。

本文所提出的控制方法的优越性通过使用Matlab/Simulink软件对PMSM速度模型进行仿真，与其他先进的MRAS和MRAS-Fuzzy控制方法相比得到了证明。

本文的其余部分结构如下：第2部分介绍了PMSM数学模型；第3部分介绍了MRAS的原理并提出了模糊MRAS；第4部分展示了在提出的算法中使用模糊FOC和MRAS算法进行比较后得到的模拟建模结果；第5部分包括结论。

模糊MRAS观测器仿真结果表明能有效改善控制质量，减小了过冲和稳定时间，特别是在负载扭矩或电机参考速度发生变化时。此外，通过减小估计速度的波动，也减小了电流波动和电磁扭矩波动。采用时间乘以误差绝对值的积分（ITAE）评估标准来比较不同控制方法对超调和参考速度稳态误差的响应效果。ITAE指数较低证明了建议的控制算法可以比其他先进的控制算法更准确地跟踪参考速度。建议控制器及其他控制器的相对定量性能指标总结如表4所示。

结论

本文提出了一种基于模糊MRAS算法的改进型无传感器永磁同步电机速度控制方法，以提高永磁同步电机速度控制的效率。在MRAS模型中使用模糊PI调节器而不是传统的PI调节器，导致估计的转子速度波动较小。模拟结果强烈证实了所提出的方法在减小过冲、减小稳定时间以及提高跟踪参考速度的准确性方面的效率，并能适应负载扭矩和参考速度的变化。所提出的控制方法的缺点在于在低速工作区域不可用，这将在进一步研究中克服，以扩大永磁同步电机的速度范围。