电动汽车转速估计器设计

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西南石油大学电气信息学院的研究人员秦峻龙、蒋林等，在2018年第6期《电气技术》杂志上撰文，针对现有电动汽车转速测量系统故障率高的问题，本文提出了一种基于无速度传感器原理的新型测速系统。

该测速系统的主拓扑采用直-交结构，通过检测系统电流与电压的瞬时值，采用矢量控制方式，使永磁同步电动机模型等效为直流电动机，根据反馈的电流、电压信号利用DSP在软件上产生触发脉冲，驱动SVPWM模块控制电动机。基于TI公司的TMS320F28055控制芯片，搭建了转速估计系统的控制平台。

仿真结果表明，转速估计器能够实现估计转速对实际转速的准确跟踪，理论上满足了设计指标。在开环条件下，实物也得到了验证。

近年来，随着新能源政策陆续出台，电动汽车的发展势头强劲[1]。汽车使用过程中，转速测量是必不可少的一部分。其能够将转速信号传送到仪表盘，供驾驶员参考，有效提高汽车的行驶性能。而速度传感器准确的测速，就成了速度测量系统的重要问题[2]。

目前国内的速度传感器基本上采用的是增量式编码器测速，而由于安装技术复杂，速度传感器与电动机轴很难达到完全同心，因此降低了测量精度，同时增加了故障率，影响汽车行驶性能。校正过程会导致更多粉尘进入电动机，并且频繁的校正也会给电动机造成不可修复的损伤。

而无速度传感器作为一种非接触式的测速方式，运用在汽车测速中，它无需直接测量转速，只采集电动机运行时的电流和电压信号，不存在同心度问题。无需增加设备，便于维护，这大大提高了汽车测速的可靠性与经济性[3]。

目前转速估计方法有[4-6]直接计算法、模型参考自适应法、滑膜观测器法和全阶状态观测器法等。

直接计算法直接根据同步角速度与转差角速度作差得到转子电气角速度，但是不存在任何误差校正环节，严重依赖电动机参数；模型参考自适应法利用参考模型与可调模型输出量的误差构成相应的辨识机构来辨识电动机转速，但是转速的辨识精度不高，对参数依赖性大；滑膜观测器法采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，并使控制系统的状态最终稳定在滑模超平面上，但是存在严重的抖振现象；全阶状态观测器法引入了电流的误差反馈量，形成了闭环观测，辨识精度较高，且通过观测器反馈增益矩阵合理配置观测器极点，可使观测器收敛速度较快，动态性能较好。

而本文所采用的方法为全阶状态观测器法来辨识电动机的转速，通过配置合适的反馈增益矩阵G，使系统具有辨识精度高，鲁棒性强，动态性能好等优点；与传统电动汽车转速辨识相比较，通过全阶观测器法来辨识电动汽车的转速，使转速的辨识精度得到了提高，电动汽车稳定运行得到了充分保证。

1  永磁同步电动机数学模型（略）

2  全阶磁链观测器（AFO）（略）

该转速估计系统是把永磁同步电动机本身作为参考模型，构造的全阶磁链观测器作为可调模型，如图1所示。

图1  基于AFO的转速估计系统

3  仿真结果及实物验证（略）

永磁同步电动机的无速度传感器矢量控制系统如图3所示[8]，主要包括单相整流、三相逆变、信号检测、隔离驱动、控制回路、感应电动机等几个部分。其中控制回路包括全阶磁链观测器、PI调节器、坐标变换、转矩计算、SVPWM等模块，采用TI公司主频为60MHz的DSP28055控制芯片实现。

系统开关设定为20kHz，即采用周期为50s。中断服务程序频率10kHz。永磁同步电动机的参数为额定功率PN=0.6kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=4A，频率fN=50Hz，额定转速nN=3000r/min，定子电阻Rs=0.985，定子电感直轴分量Ld=2.96mH，定子电感交轴分量Lq=2.96mH，极对数np=1。控制回路的主程序流程图如图2所示。

图2  主程序流程图

4  结论

基于永磁同步电动机的全阶磁链观测器模型，设计了转速估计器，完成了对转速自适应律和反馈增益矩阵的设计，基于Matlab仿真平台，搭建了基于全阶磁链观测器的永磁同步电动机矢量控制系统仿真模型。

仿真结果表明了该转速估计器能够在全速范围内各种工况下稳定运行，估计转速能够准确的跟踪实际转速，且转速误差在2%以内。基于仿真系统构建了基于DSP28055调速系统平台，完成了对转速估计器的开环实验验证。实验结果表明，该方法能够准确观测出电动汽车的转速信息，且转速估计精度高。