CN102783012A - 永磁同步电机(pmsm)的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制永磁同步电机的装置，包括：传感器，可从转子位置测量值θm中采样，控制装置，根据转子位置和预定参数控制永磁同步电机的工作点，估算装置(23)，确定与转子相关估算帕克参照系δ-γ中转子位置的估算值其中，所述估算装置(23)包括调节装置(61)，使所估算转子位置

与所测转子位置θ_m相一致。故障检测器，检测所述传感器的故障，以及开关，用来将控制装置接至传感器，以便在故障检测器未指示所述传感器任何故障时，控制装置接收转子的所测位置，反之，将控制装置接至估算装置，以便在故障检测器指示所述传感器出现故障时，控制装置接收转子的估算位置

Description

永磁同步电机(PMSM)的控制装置

技术领域

本发明涉及永磁同步电机(PMSM)的控制领域。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)包括定子和转子。通常，定子包括以星形连接的绕组，转子包括永磁铁。

永磁同步电机习惯上由逆变器提供动力，逆变器可使电流波纹系数和电机扭矩得以降低。

永磁同步电机具有高扭矩和甚低惯性的特点。此外，其电感系数也较低，对电流反应快，因此对扭矩也反应快。

因此，在高功率和高性能执行机构的电动机中使用永磁同步电机，特别是机载系统上。

图5示出了包括控制装置101，逆变器111和永磁同步电机103的系统。

逆变器111使用直流电源来向永磁同步电机103提供动力。它可以将经由控制装置101调整的振幅和频率电压施加在永磁同步电机103的端子上。

控制装置101布置成可使用电气反馈数据106矢量控制逆变器111的电压，特别是，控制转子位置θ的精确指示。这个信息习惯上都来自位于同步电机轴上的位置或速度传感器。

然而，也有无传感器的永磁同步电机控制装置(例如，参见BabakNahid-Mobarakeh等人发表的文章，题目是“基于电动势估算的永磁同步电机无传感器控制定律的收敛性分析”，[国际电气工程评论]，文章Vol6/5-6-2003-pp547-577-doi：10.3166/rige.6.545-577)。

应该注意的是，有关无传感器控制的装置的说明主要都来自上面BabakNahid-Mobarakeh等人的文章。

通常，在与定子相关的静止参照系中，永磁同步电机的电气方程描述为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_c\end{array}\right]$

式中，v_a，v_b，v_c是定子相位的电压，R是定子相位的电阻，i_a，i_b，i_c是定子相位的电流，而ψ_a，ψ_b，ψ_c是穿过定子绕组的磁通量。

另外，在与转子相关的旋转参照系内，也可非常方便地模拟永磁同步电机。

图6示出了与转子相关的旋转参照系d-q(称之为帕克参照系Park frame ofreference)，包括直轴Od和交轴Oq。直轴Od构成了相对于与定子相关的静轴Oα的角度θ。更具体地说，角度θ标明了由其励轴Od所确定的转子位置。

通过将肯考迪哑变换(Concordia transformation)T₃₂和帕克变换(Parktransformation)应用到上述方程系上，帕克参照系d-q内的电气方程就可表示如下：

$v_d={\mathrm{Ri}}_d+L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-\mathrm{p\Ω}{\mathrm{Li}}_q+e_d$

$v_q={\mathrm{Ri}}_q+L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}-\mathrm{p\Ω}{\mathrm{Li}}_d+e_q$

式中，v_d，v_q和i_d，i_q是直交和正交电压和电流分量，L是定子感应，Ω是转子的旋转速度(即，参照系d-q的角速度)，p是转子永磁铁的极对的数量，以及e_d，e_q是参照系d-q内电动势的分量，由如下关系确定：

e_d＝0

e_q＝pΩψ_f

式中，ψ_f是流过直流等效电路的磁铁的通量。

假定转子位置θ和角速度Ω未测，参照系d-q的位置就不能确定，那么，该参照系中的电气量的分量就不可知。

通常，为了解决这个问题，旋转估算参照系δ-γ是确定的，其位置

和速度Ω_c已知。估算参照系δ-γ的轴Oδ构成了相对于静轴Oα的角度

和相对轴Od的角度

角度

表示轴Oδ和Od之间的位移。

那么，无传感器矢量控制的问题就在于确定角速度Ω_c，这样，

和θ之间位置

的差就可以相互抵消。

估算参照系δ-γ中永磁同步电机的电方程可以写成如下形式：

$v_{\mathrm{\δ}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\δ}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\δ}}}{\mathrm{dt}}-p{\mathrm{\Ω}}_c{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\γ}}+e_{\mathrm{\δ}}$

$v_{\mathrm{\γ}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\γ}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\γ}}}{\mathrm{dt}}-p{\mathrm{\Ω}}_c{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\δ}}+e_{\mathrm{\γ}}$

式中，v_δ，v_γ和i_δ，i_γ是参照系δ-γ中的电压和电流分量，Ω_c是参照系δ-γ中的角速度，而e_δ，e_γ是由如下关系确定的参照系δ-γ中电动势分量：

通常，为了控制无传感器永磁同步电机，电动势的分量e_δ，e_γ是在旋转估算参照系δ-γ中估算的。如果后者和转子相关的参照系d-q一致，那么，旋转估算参照系中电动势的直接分量为零。这就给出了旋转估算参照系δ-γ位置

和速度Ω_c得以修正的标准，从而可以与转子相关参照系d-q同步。此后，转子的位置和速度则直接从估算参照系的位置和速度中推算得出。

然后，无传感器矢量控制的问题可以通过确定控制规律来概括，该控制规律定义了参照系δ-γ中的角速度Ω_c和定子电压分量v_δ，v_γ，确保

持续保持为零，以及在由参考扭矩Γ_ref确定的参照点i_δref，i_γref处的电流分量i_δ，i_γ。

图7示出了一种无传感器控制装置。

该控制装置包括扭矩矩-电流变换器137、矢量控制装置119，和参照系δ-γ中的逆变器-MSAF装置114。

变换器137通过将参考扭矩(或设定扭矩)Γ_ref的值转换为参照系δ-γ中相应参考电流i_δref，i_γref而实现从扭矩到电流的转换。

矢量控制装置119确定了控制逆变器-MSAF装置114的控制规律，同时确保

始终保持为零

该控制规律根据反向电流测量所获得的电流分量i_δ，i_γ确定了角速度Ω_c和参照系δ-γ中的定子电压分量v_δ，v_γ，以及参照电流i_δref，i_γref。

无传感器控制装置特别坚固，因为其少了一个检测部件。为此，无传感器控制装置制造简单，并且，使用寿命比传感器控制装置要长。

然而，位置传感器一般都非常精确，而且，使用位置传感器的控制装置都可对向MSAF提供动力的逆变器电压进行调节，比无传感器控制装置更精确。

为此，本发明的目的就是提供一种可控制具有最佳可靠性、极其安全的MSAF的装置，而这些都是航空航天领域的当务之急。

发明内容

本发明涉及控制永磁同步电机的装置“PMSM”，包括定子和转子，并由逆变器提供动力，其中，所述控制装置包括：

-从转子位置测量θ_m中采样的传感器，

-根据转子位置和预定参数，控制永磁同步电机工作点的控制装置，

-确定在与转子相关的估算帕克参照系δ-γ中转子位置估算值

的估算装置，其中，所述估算装置包括调节装置，使所述估算转子位置

与所述测量转子位置θ_m相一致。

-检测所述传感器故障的故障检测器，以及

-用来将控制装置连接到传感器上的开关，目的是该控制装置接收转子测量位置θ_m的同时，故障检测器不会指示所述传感器的任何故障，或者，将控制装置连接至估算装置，目的是当故障检测器指示所述传感器的故障时，该控制装置接收转子的估算位置

这样，通过确保电机在传感器出现故障情况下仍能令人满意地工作，从而增加了永磁同步电机降性能下的使用性。应该指出的是，通过传感器采样的测量值，这种装置有利于控制永磁同步电机，并在只有检测到传感器异常情况时，才转换到无传感器控制，同时，可以避免传感器控制转换到无传感器控制时两个位置之间出现的重大差异。

有利的是，估算装置包括：

-电动势估算器，用来根据所述帕克参照系中确定的数值，在估算帕克参照系δ-γ内，估算电动势″emf″的分量

所述帕克参照系中确定的数值包括从定子电流测量中获得的电流分量i_δ，i_γ，对应于逆变器参考电压的定子电压分量v_δ，v_γ，以及转子的旋转速度Ω_c。

-速度估算器，其使用的是从电动势估算器获得的电动势的所述估算分量

以及使用非线性修正器来根据带有整体收敛区域的控制规律确定转速Ω_c，包括一个等于永磁同步电机工作设定点的非对称稳定平衡点。

-积分器，使用从转速估算器获得的转速Ω_c来计算转子位置所述估算值

为此，根据本发明的控制装置可根据带有整体收敛区域的控制定律在传感器出现故障的情况下控制永磁同步电机，所述控制规律限制了向单个所需工作点的收敛，不论转子相对于定子的位置如何。

根据本发明的一个实施例，所述转速估算器包括第一估算器，用来根据与轴γ相关的电动势估算分量

和预定物理参数K_f，确定转速的已有估算值

这取决于转子永磁铁的特性，公式如下：

$\widehat{\mathrm{\Ω}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\γ}}}{K_f},$

以及非线性修正器，用来通过引入修正项来调节转速，该修正项可根据如下公式对转速的所述估算值

进行修正：

${\mathrm{\Ω}}_c=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\γ}}}{K_f}-\frac{b}{K_f}\mathrm{sign}\left(\widehat{\mathrm{\Ω}}\right).K.{\hat{e}}_{\mathrm{\δ}}$

式中，b是预定的工作设定值，

是转速所述估算值

的特征，

是与轴δ相关的电动势，以及，式中，K是非线性系数，该系数取决于与轴δ相关的电动势

的特征和通过如下公式和条件预定的系数ξ：

$K=1-\mathrm{\&xi;}.\mathrm{sign}\left({\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}\right)$ 式中0＜ξ＜1和 $\frac{1}{1+\mathrm{\&xi;}}<b<\frac{1}{1-\mathrm{\&xi;}}.$

因此，非线性修正器通过持续使与轴δ相关的电动势e_δ保持为零，使所有无关工作点不稳定，而接近转子的实际参照系。这样，快速向所需工作点汇集，同时，转速逆转。

所述调整装置可在所测转子位置θ_m和估算转子位置

之间实施PI。

有利的是，调整装置可包括限制装置，在检测到所述传感器出现故障时，可限制调整装置。

如果检测到故障，调整装置所进行的修正会受到限制，因为所测转子位置θ_m很可能是错误的。

有利的是，所述估算装置包括初始化装置，在检测到传感器故障之前，采用最后一次转子位置估算值

来初始化所估算的转子位置

这可防止出现转换振荡，当从传感器控制转换到无传感器控制时，可使扭矩值保持恒定不变。

另外，本发明还涉及永磁同步电机，所述电机包括具有上述特性的控制装置。

另外，本发明还涉及飞机上的执行机构，所述执行机构包括具有上述特性的永磁同步电机。

另外，本发明还涉及到控制永磁同步电机的方法，所述电机包括定子和转子，并由逆变器提供动力，其中，所述控制方法包括如下步骤：

-通过传感器测量转子的位置θ_m，以及

-根据转子位置和预定参数来检测永磁同步电机的工作点，

-测定与转子相关的估算帕克参照系δ-γ中转子位置的估算值

-使所述估算转子位置

与所述测量转子位置θ_m相一致，

-检测所述传感器的故障，以及

-在传感器未出现故障时，根据所测转子位置θ_m检查永磁同步电机工作点，相反，在传感器出现故障时，根据所估算转子位置

检查永磁同步电机工作点。

控制方法还可包括如下步骤：

-根据所述帕克参照系内确定的数值，对估算帕克参照系δ-γ中的电动势的分量

进行估算，所述数值包括从定子电流测量中获得的电流分量i_δ，i_γ，对应于逆变器参照电压的定子电压分量v_δ，v_γ，和转子的转速Ω_c。

-根据电动势的所述估算分量并按控制定律采用非线性修正器来估算转速Ω_c，所述控制定律带有整体收敛区域，包括一个等于永磁同步电机工作设定点的非对称稳定均衡点，

-根据转速Ω_c，计算所述估算转子位置

控制方法还可包括如下步骤：

-根据与轴γ相关的电动势估算分量

和取决于转子永磁铁特性的预定物理参数K_f，按照如下公式确定转速已有估算值

$\widehat{\mathrm{\&Omega;}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f},$

-根据如下公式，通过向转速的所述估算值

引入修正项来调节转速：

${\mathrm{\&Omega;}}_c=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f}-\frac{b}{K_f}\mathrm{sign}\left(\widehat{\mathrm{\&Omega;}}\right).K.{\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}$

式中，b是预定的工作设定值，

是转速的所述估算值

的特征，

是与轴δ相关的电动势，式中，K是非线性系数，该系数取决于与轴δ相关的电动势

的特征和通过如下公式和条件预定的系数ξ：

$K=1-\mathrm{\&xi;}.\mathrm{sign}\left({\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}\right)$ 式中0＜ξ＜1和 $\frac{1}{1+\mathrm{\&xi;}}<b<\frac{1}{1-\mathrm{\&xi;}}.$

本发明还涉及包括了实施上述控制方法操作指令的计算机程序。

下面阅读参照附图给出的本发明的最佳实施例，本发明的其它特性和优点会显现出来，

附图说明

图1为根据本发明的永磁同步电机″PMSM″的示意图；

图2为图1所示控制装置实施例的示意图；

图3为图2所示转速估算器的实施例示意图；

图4A和4B为图1和图2所示调整装置具体实施例的示意图；

图5为根据已有技术的永磁同步电机PMSM控制装置的示意图；

图6为与永磁同步电机转子相关的帕克参照系；以及

图7为根据已有技术的无传感器永磁同步电机PMSM控制装置示意图。

具体实施方式

图1为根据本发明的永磁同步电机或”PMSM”3控制装置1的示意图。

永磁同步电机3习惯上都包括采用隔离电源以星形连接的定子绕组5，和带有与p对(其中，单对在此表示为p＝1)电极对称构成的永磁铁9的转子7。

永磁同步电机3由逆变器11提供电源，后者在定子绕组5的端子上施加电压v_a，v_b，v_c。根据三相模式的逆变器-永磁同步电机组件用方框13简单表示。

控制装置1包括位置传感器15、电气测量装置17，以及控制装置19。

位置传感器15是一种解算器(例如，霍耳效应传感器，或任何其它类型的解算器)，安装在永磁同步电机3上，以便对转子位置7测量值θ_m进行精确采样分析。当然，位置也可以通过测量转子转速而不是位置来间接确定。在这种情况下，位置传感器可以包括测量转速的装置，以及确定该位置的积分器。

电气测量装置17用来测量电气反馈数据，更确切地说，测量永磁同步电机3的定子电流i_a，i_b，i_c。

控制装置19接收有关转子位置的信号，有关电气测量装置17所测定子电流i_a，i_b，i_c的信号，以及有关参考转矩Γ_ref和/或参考转速Ω_ref的数据。

控制装置19包括逆变器-永磁同步电机组件13的三相模型和帕克参照系内两相模型之间的转换接口21。这种转换可根据转子7的位置将三相模型的物理量转换为两相模型，反之则亦然。

这样，根据转子9的位置、预定参数(Γ_ref和/或Ω_ref)、以及电气反馈数据，控制装置19就可控制或检查永磁同步电机3的工作点(即，参考扭矩Γ_ref和/或参考转速Ω_ref期望的或设定的工作点)。

根据本发明，控制装置还包括估算装置23、故障检测器25和转换开关27。

估算装置23用来确定估算帕克参照系δ-γ内转子的估算位置

参照图2可更清楚地看到，该估算可以通过对估算旋转参照系δ-γ的位置

的修正来进行，这样，就可使其与转子相关的参照系d-q实现同步(另见图6)。

故障检测器25用来检测传感器15可能出现的故障。特别是，故障检测器25可以-例如-检测检测器15出现故障时其本身所产生或传送的故障信号。。

开关27用来连接控制装置19至估算装置23，或至位置传感器15，这取决于故障信号S是否指示传感器15出现故障。

更确切地说，当故障检测器未指示位置传感器15任何故障时，开关27保持控制装置19与位置传感器15的连接，这样，控制装置19接收转子7所测位置θ_m。相反，当故障检测器指示位置传感器15在发生故障时，开关27则将控制装置19连接至估算装置23，这样，控制装置19接收转子7的估算位置

这样，一旦传感器15出现故障，开关27边从使用传感器控制转为无传感器控制永磁同步电机3。这样永磁同步电机3也就可以在降性能方式下使用。自然，一旦位置传感器15修复，永磁同步电机3则会再次由位置传感器15控制。

值得指出的是，图1和图2-4B也都示出了根据本发明控制方法的主要步骤。

图2示出了图1所示控制装置的实施方式。

如图2所示，估算装置23包括电动势估算器31、速度估算器33、以及积分器35。此外，除了转换接口21外，控制装置19还包括扭矩-电流转换器37和电流调节器39。

扭矩-电流转换器37将参考扭矩Γ_ref值转换成估算帕克参照系δ-γ中的对应参考电流i_δref，i_γref。

此外，转换接口21将电气测量装置17所测定子电流i_a，i_b，i_c转换成为帕克参照系δ-γ中的电流分量i_δ，i_γ。

此外，电流调节器39接收来自扭矩-电流变换器37的参考电流i_δref，i_γref和来自转换接口21参照系δ-γ中的电流分量i_δ，i_γ，以确定对应于逆变器11参考电压参照系δ-γ中的定子电压分量v_δ，v_γ。转换接口21接收这些根据两相模型的定子电压分量v_δ，v_γ，并根据三相模型将其转换成逆变器11的参考电压

无传感器矢量控制在于估算角速度Ω_c，这样，

和θ之间位置差

就会被取消(见图6)。换句话说，必须从控制定律来获得角速度Ω_c，保证位置误差

持续保持为零(2π模量)。

然而，假定当

趋于零

时，轴δ的电动势分量e_δ趋于零，持续保持零位时的位置差

就可以由零位时持续保持e_δ来取代。

这种估算在于解算估算参照系δ-γ中的如下电气方程：

${\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&delta;}}-L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\&delta;}}}{\mathrm{dt}}-p{\mathrm{\&Omega;}}_c{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\&gamma;}}+v_{\mathrm{\&delta;}}$

${\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}=-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\&gamma;}}-L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{\mathrm{dt}}-p{\mathrm{\&Omega;}}_c{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\&delta;}}+v_{\mathrm{\&gamma;}}$

结果，电动势估算器31接收来自转换接口21的电流分量i_δ，i_γ，来自电流调节器39的定子电压分量v_δ，v_γ，和来自转速估算器33的转子转速Ω_c，以便根据这些量来对估算参照系δ-γ中的电动势分量

进行估算。

根据电动势估算器31所确定的电动势估算值

由转速估算器33来闭环估算转子的转速Ω_c，以及通过保持分量

持续为零。显然，转子转速Ω_c通过预定初始值Ω_c0来初始化。

有利的是，转速估算器31使用非线性修正器来根据控制定律确定转速，这种定律带有整体收敛区域，包括一个在李雅普诺夫概念上的非对称稳定均衡点。该均衡点等于MSAF 3的工作设定点。

图3示出了转速估算器33的实施例。

根据这个示例，转速估算器33的功能图包括第一转速估算器43、比较器45，第一和第二特征指示器47和49、加法器51、和非线性修正器53。

比较器45的目的是将分量

与其参考分量进行比较e_δref＝0。第一转速比较器43的目的是根据估算分量

来确定转速的已有估算值

如果假设

式中，Ω_ref是设定转速，第一特征指示器47的目的是指示转速的已有估算值

的特征。第二特征指示器49的目的是指示分量

的特征。非线性修正器53的目的是引入非线性项目，以便使得控制定律收敛的所有无用点变得不稳定，或者，防止收敛到任何无用的解决方案。最后，加法器51的目的是将非线性项目加到已有估算值

以便确定转速Ω_c。

根据转子永磁铁的特性，第一转速估算器43使用如下公式计算与轴γ相关的电动势分量

和预定物理参数K_f之间的商：

式中K_f＝pψ_f。

根据具体实施例，非线性修正器53引入修正项，该项是转速已有估算值

的特征

预定工作参数b、物理参数K_f、与轴δ相关电动势的分量

的函数，和最后的非线性系数，该系数取决于分量

特征和预定系数ξ，使用如下公式：

$-\frac{b}{K_f}\mathrm{sign}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Omega;}}\right).K.{\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}$ 和 $K=1-\mathrm{\&xi;}.\mathrm{sign}\left({\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}\right).$

然后，加法器51将上述修正项加到已有估算值

以便使用如下公式确定转速Ω_c：

${\mathrm{\&Omega;}}_c=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f}-\frac{b}{K_f}\mathrm{sign}\left(\widehat{\mathrm{\&Omega;}}\right).K.{\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}$

应该指出的是，通过使用上述公式，对以转速Ω_c表示的控制定律的稳定性进行分析(见Babak Nahid-Mobarakeh等人文章，“基于电动势估算的永磁同步电机无传感器控制定律收敛分析”)，可以看出，在相空间的所有轨道

都会向如下条件的所需均衡点(

Ω＝Ω_ref)收敛：

0＜ξ＜1和 $\frac{1}{1+\mathrm{\&xi;}}<b<\frac{1}{1-\mathrm{\&xi;}}.$

工作参数b可以设在0和3(0＜b≤3)之间，优选接近1。

通过使某些均衡点不稳定，上述控制定律可以使相空间内所有轨道防止向所有无用均衡点收敛，并可将相空间内的其它点远离来防止它们。特别是，这可以使得转速靠近零时电气方程上所固有的非观察性问题得以解决。

此外，修正项对转速特征的依赖性使得相空间的轨道向期望点收敛，不论设定转速Ω_ref特征如何，允许转速反向，毫无任何问题。

这样，在上述条件下，不论初始坐标点(

Ω＝Ω₀)怎样，相空间

里的所有轨道都会向所需均衡点收敛。

换句话说，即使开始时，初始位置误差约为π，轨道会使用设定扭矩和转速值快速向工作点收敛。

此外，即使开始时初始点带有特征的转速，与设定转速相反，位置误差会快速向零位收敛，从而使得永磁同步电机快速获得与设定扭矩和转速值相等的永久转速。

当转速估算器33确定了转速时，积分器35就会对来自转速估算器33的转速Ω_c进行综合，以确定估算转子位置

此外，为了能在传感器控制和无传感器控制之间进行均匀而精确转换，估算装置23可包括持续调节所估算转子位置

的装置。

图4A示出了包括在估算装置23内的调节装置61。调节装置61用来在所测转子位置θ_m和所估算转子位置

之间的差上实施PI，以便使得所估算位置能够与所测转子位置θ_m一致。

为此，调节装置61包括可将位置传感器15所测转子位置θ_m与积分器35估算转子位置

进行快速比较的位置比较器63，为了不使积分出现偏离的实现逆反应的PI滤波器或增益倍增器65，将所估算转子位置与所测转子位置θ_m进行同步的附加综合器67，以及为修正

转子位置而在附加综合器67输出端和所估算转子位置之间设置的第二比较器69。

应该注意的是，比较和逆反应持续进行，防止转子位置的估算值

出现偏离，因为在使用位置传感器15的同时，估算值

会处于开环状态。当检测到位置传感器15存在故障时，那么此时来自转速估算器33的最后一个估算转速值Ω_c就会随着控制方式的转换而注入到积分器35内。

于是，如果在传感器控制和无传感器控制之间确实发生转换，最后一个所测值θ_m和估算值之间的差就会非常小。

在控制方式转换后，就不再需要逆反应了，因为位置传感器15给出的数值是不准确的。

实际上，如图4A所示，调节装置61包括限制装置71，当故障检测器25指示位置传感器15存在故障时，则会限制调节装置61动作。限制装置71非常简单，包括计算故障信号S积的倍增器，和发送转子位置修正量的附加积分器67。这样，当检测到故障时，故障信号等于零(S＝0)，因此，限制装置71的输出设定为零，使得转子位置的最后所测值θ_m被抑制或被撇弃。相反，在故障信号指示传感器无异常(S＝1)时，调节装置则使用转子位置所测值θ_m。

如图4B所示，估算装置23包括初始化装置73，在检测位置传感器15故障前，用来通过最后估算值来重新初始化所估算转子位置

初始化装置73包括存储器，记录了仍为正确的转子位置(估算的

或修正的)的最后值。

实际上，当检测到故障时，故障信号S启动触发器，例如，引起积分的向下的信号由最后的估算转子位置重新初始化。

为此，在传感器控制和无传感器控制之间转换的时候，两种控制方式之间瞬间出现的扭矩不会产生振动。

应该注意的是，控制装置的不同部分可包括带有一个或多个计算机程序的处理或计算装置，当这些不同部分执行计算机程序时，处理或计算装置可通过代码指令实施本发明的控制方法。

为此，本发明还涉及计算机程序产品，该产品可在控制装置不同部件内实施，其中，该程序包括能够实施上述本发明方法的代码指令。

包括永磁同步电机和根据本发明控制永磁同步电机的系统可方便地用在机载系统内的执行电机上。例如，可用在压气机、通风系统、反推装置、舱门和许多其它飞机设备上。

Claims (12)

1.一种控制永磁同步电机″PMSM″(3)的装置(1)，所述电机包括定子和转子(7)，并由逆变器(11)提供动力，其中，控制装置包括传感器(15)，从转子(7)位置测量值θ_m，以及根据转子位置和设定值，控制永磁同步电机(3)工作点的控制装置(19)，其特征在于，还包括：

估算装置(23)，确定与转子相关估算帕克参照系δ-γ中转子位置的估算值

其中，所述估算装置(23)包括调节装置(61)，使所述估算转子位置

与所测转子位置θ_m相一致；

故障检测器(25)，检测所述传感器(15)的故障；以及

开关(27)，用来将控制装置(19)接至传感器(15)，以便在故障检测器(25)未指示所述传感器出现任何故障时，控制装置(19)接收转子的所测位置θ_m，相反，将控制装置(19)接至估算装置(23)，以便在故障检测器(25)指示所述传感器出现故障时，控制装置(19)接收转子的估算位置

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，估算装置(23)包括：

电动势估算器(31)，用来根据所述帕克参照系内确定的数值，对估算帕克参照系δ-γ中电动势的分量

进行估算，所述数值包括从定子电流测量值获得的电流分量i_δ，i_γ，对应于逆变器参考电压的定子电压分量v_δ，v_γ，和转子的转速Ω_c；

转速估算器(33)，使用所述从电动势估算器(31)获得的所述电动势估算分量

以及使用非线性修正器，根据控制定律确定转速Ω_c，所述控制定律带有整体收敛区域，包括一个等同于永磁同步电机工作设定点的非对称稳定均衡点；以及

积分器(35)，使用从转速估算器(33)获得的转速Ω_c，计算转子位置的所述估算值

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述转速估算器(33)包括第一估算器(43)，用来根据与轴γ相关的电动势估算分量

和取决于转子永磁铁特性的预定物理参数K_f，按照如下公式确定转速的已有估算值

$\widehat{\mathrm{\&Omega;}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f},$

以及，其特征还在于，非线性修正器用来通过引入修正项来调节转速，所述修正项可根据如下公式修正转速的所述估算值

${\mathrm{\&Omega;}}_c=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f}-\frac{b}{K_f}\mathrm{sign}\left(\widehat{\mathrm{\&Omega;}}\right).K.{\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}$

式中，b是预定工作设定值，

是转速的所述估算值的特征，

是与轴δ相关的电动势，式中，K是非线性系数，该系数取决于与轴δ相关的电动势

的特征和通过如下公式和条件预定的系数ξ

$K=1-\mathrm{\&xi;}.\mathrm{sign}\left({\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}\right)$ 和0＜ξ＜和 $\frac{1}{1+\mathrm{\&xi;}}<b<\frac{1}{1-\mathrm{\&xi;}}.$

4.根据前面任一项权利要求所述的控制装置，其特征在于，所述调节装置(61)用来在所测转子位置θ_m和估算转子位置

之间完成PI。

5.根据前面任一项权利要求所述的控制装置，其特征在于，所述调节装置(61)包括，在检测到所述传感器存在故障时，可限制调节装置的限制装置(71)。

6.根据前面任一项权利要求所述的控制装置，其特征在于，所述估算装置(23)包括初始化装置，用来在检测到传感器(15)故障前，采用最后一个转子位置估算值

来初始化估算转子位置

7.一种永磁同步电机，其包括根据权利要求1到6任一项所述的控制装置(1)。

8.一种飞机上的执行机构，包括根据权利要求7所述的永磁同步电机。

9.一种控制永磁同步电机，″PMSM″，(3)的方法，所述电机包括定子和转子(7)，并由逆变器(11)提供动力，其中，控制方法包括如下步骤：

通过传感器(15)测量转子的位置θ_m，以及

根据转子位置和预定参数来检查永磁同步电机的工作点，

其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

测定与转子相关的估算帕克参照系δ-γ中转子位置的估算值

使所述估算转子位置

与所述测量转子位置θ_m相一致，

检测所述传感器的故障，以及

在传感器未出现故障时，根据所测转子位置θ_m，检查永磁同步电机的工作点，反之，在传感器出现故障时，根据所估算转子位置

检查永磁同步电机的工作点。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

根据所述帕克参照系内确定的数值，对估算帕克参照系δ-γ中的电动势分量

进行估算，所述数值包括从定子电流测量中获得的电流分量i_δ，i_γ，对应于逆变器参照电压的定子电压分量v_δ，v_γ，和转子的转速Ω_c，

根据电动势的所述估算分量

并按控制定律使用非线性修正器来估算转速Ω_c，所述控制定律带有整体收敛区域，包括一个等于永磁同步电机工作设定点的非对称稳定均衡点，以及

根据转速Ω_c，计算所述的估算转子位置

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

根据与轴γ相关的电动势估算分量

和取决于转子永磁铁特性的预定物理参数K_f，按照如下公式，确定转速已有估算值

$\widehat{\mathrm{\&Omega;}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f},$

根据如下公式，向转速的所述估算值

中引入一个修正项来调节转速：

${\mathrm{\&Omega;}}_c=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\&gamma;}}}{K_f}-\frac{b}{K_f}\mathrm{sign}\left(\widehat{\mathrm{\&Omega;}}\right).K.{\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}$

式中，b是预定工作设定值，

是转速的所述估算值

的特征，

是与轴δ相关的电动势，式中，K是非线性系数，该系数取决于与轴δ相关的电动势

的特征和通过如下公式和条件预定的系数ξ：

$K=1-\mathrm{\&xi;}.\mathrm{sign}\left({\hat{e}}_{\mathrm{\&delta;}}\right)$ 式中0＜ξ＜1和 $\frac{1}{1+\mathrm{\&xi;}}<b<\frac{1}{1-\mathrm{\&xi;}}.$

12.一种计算机程序，当其通过处理装置执行时，其包括实施根据权利要求9到11任一项所述控制方法的代码指令。

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