CN104094517B - 控制永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制具有定子和转子的永磁同步电机(3)的方法。所述方法包括：确定转子的估计位置($)的步骤；确定第二同相电压设置值(vδ2*)的步骤，所述第二同相电压设置值交替地等于第一同相电压设定值(vδ1*)或者第一同相电压设定值(vδ1*)加上预定周期信号(G)。所述确定所述转子的估计位置($)的步骤包括：确定耦合项的步骤；根据耦合项确定转子的转速(Ω5)的步骤；和通过对转子的转速(Ω5)进行积分确定转子的估计位置($)的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及控制永磁同步电机。
背景技术
已知，为了控制永磁同步电机，需要始终掌握其转子的位置。传统上，位置传感器用于测量电机的位置并且计算电机速度。使用这种传感器(和伴随传感器的处理器卡)的主要缺陷在于降低了系统的可靠性，其中，可靠性在航空领域中最为重要。这种解决方案的其它缺陷是加重了系统重量、增加大了系统体积并且增加了系统的总成本。
因此已经做了大量研究工作，以弃用这种位置传感器并且因此仅仅根据测量定子电流估计力学变量，
已经提出并且验证了若干方法，用于在不使用位置传感器的前提下控制中速和高速状态下的同步电机。这些方法是基于根据施加的电压、测量的电流和描述电机的方程式估算空载电磁力(EMF)矢量。因为EMF与速度成正比，所以还能够估算速度，然后仅仅通过对速度进行积分当然也能够获得位置。然而，因为EMF在电机停止时为零并且因为在低速条件下其被隐藏在测量噪声中，所以在这种操作范围内不再能够发现EMF。因此，基于估算EMF的方法不适于需要实施位置控制的应用。
为了估计低速条件以及停止状态时的位置，仅存的解决方案是根据转子位置使用定子电感值的变化。已经提出利用电感变化的若干方案。
·在第一种方法中，原理是每十个或者二十个脉宽调制(PWM)周期切断控制一次，并且注入高频信号(以高于电流调节器的通频带的频率)。注入的电压与测量的电流变化的比率能够估算电感，并且因为电感基于位置，所以还能够估计位置。在J.Kiel,A.Bünte,S.Beineke给出的在2002年9月发表的EPEPEMC,TP-053,Dubrovnik&Cavat中的“Sensorlesstorque control of permanent magnet synchronous machines over the wholeoperation range”描述了示例。
·在第二种方法中，在初始阶段中位置估计中的误差自身被估计。借助于校正器将这种误差调节趋于零。校正器的输出提供了速度估算，并且通过积分能够获得转子的估计位置。为了计算估计误差，比较在注入高频(HF)信号之后立即测量的电流与在没有注入高频信号的情况下理论上可获得的电流。
上述第一类型的方法具有以下缺陷：
·直接计算估算的位置，因此每次计算均将经受不连续性。因为根据转子位置计算基准电压，所以基准电压也将承受不连续性，这导致能造成损害的扭力震动。
·需要停止控制以实施估算。每十个或者二十个PWM周期(根据所需准确性)就有一个这样的周期专门用于注入高频信号以进行估算。
·在这种情况下，需要在进行估算时对定子电流进行大量采样。
上述第二种类型的方法具有以下缺陷：
·在那些方法中，测量的电流与应当理论获得的电流相比。为了能够达到此目的，为了使方法正确收敛，必须具有电动机的准确模型。因此它们变得取决于与电机参数相关的不确定性而且还取决于那些参数的变化。
·此外，那些方法仅仅应用于平滑转子电机。
因此，存在改进低速和零速状态下同步电机的控制的需求。
发明内容
本发明力图通过提出用于控制永磁同步电机的方法来满足这种需求，所述永磁同步电机具有转子和定子，所述方法包括：
·确定转子的估计位置的步骤；
·根据定子电流和转子的估计位置确定同相电流和正交电流的步骤；
·根据同相电流、正交电流、同相电流设定值和正交电流设定值确定同相电压设定值和正交电压设定值的步骤；
所述方法的特征在于其包括：
·确定第二同相电压设定值的步骤，所述第二同相电压设定值交替地等于第一同相电压设定值或者第一同相电压设定值加上预定周期信号；
·根据第二同相电压设定值、正交电压设定值和转子的估计位置确定定子电压设定值的步骤；
·根据定子电压设定值控制所述同步电机的步骤；
其中，确定转子的估计位置的步骤包括：
·根据当第二同相电压设定值等于第一同相电压设定值时的正交电流和当第二同相电压设定值等于第一同相电压设定值加上预定周期信号时的正交电流之间的差确定耦合项的步骤；
·根据所述耦合项确定转子转速的步骤；
·通过对转子转速进行积分确定转子的估计位置。
相应地，本发明提出了用于控制具有定子和转子的永磁同步电机的控制单元，所述控制单元包括：
·用于确定转子的估计位置的装置；
·用于根据定子电流和转子的估计位置确定同相电流和正交电流的模块；和
·用于根据同相电流、正交电流、同相电流设定值、正交电流设定值确定第一同相电压设定值和正交电压设定值的模块；
控制单元的特征在于其包括：
·用于确定第二同相电压设定值的模块，所述第二同相电压设定值交替地等于第一同相电压设定值或者第一同相电压设定值加上预定周期信号；
·用于根据第二同相电压设定值、正交电压设定值和转子的估计位置确定定子电压设定值的模块；和
·控制装置，所述控制装置用于根据定子电压设定值控制所述同步电机；
其中，用于确定转子的估计位置的装置包括：
·用于根据当第二同相电压设定值等于第一同相电压设定值时的正交电流和当第二同相电压设定值等于第一同相电压设定值加上预定周期信号时的正交电流之间的差确定耦合项的模块；
·用于根据所述耦合项确定转子转速的模块；和
·用于通过对转子转速进行积分确定转子的估计位置的模块。
根据所述耦合项确定转子转速的步骤可以包括使用用于取消耦合项的校正器。
优选地，预定周期信号是脉冲信号。
在一个实施例中，根据定子电压设定值控制所述同步电机的步骤包括：将所述定子电压设定值传送到具有预定周期的脉宽调制变换器；所述第二同相电压设定值每15至25个周期等于第一同相电压设定值加上预定周期信号一次，每次持续就一至三个脉宽调制周期。
转子可以是凸极转子。转子还可以是平滑转子，所述方法包括使得面向转子磁极的定子齿饱和。
本发明还设置了一种控制系统，所述控制系统包括根据本发明的控制单元、转换器和同步电机。
本发明还提供了一种计算机程序，所述计算机程序包括用于当计算机执行所述程序时实施根据本发明的控制方法的步骤的指令。
程序可以使用任何程序语言并且是源代码、目标代码或者源代码和目标代码之间的中间代码(诸如部分编译形式)的形式或者任何其它理想形式。
本发明还提供一种计算机可读数据介质或者记录介质，所述计算机可读数据介质或者记录介质包括如上所述的计算机程序的指令。
上述数据介质可以是能够存储程序的任意一种实体或者装置。例如，介质可以包括存储装置，诸如只读存储器(ROM)，例如光盘(CD)ROM或者微电子电路ROM或者磁记录介质，例如，软盘或者硬盘。
此外，记录介质可以对应于诸如电信号或者光信号的传输介质，所述电信号或者光信号适于经由电缆或者光缆或者无线电或者其它装置传送。本发明的程序可以特别地从因特网下载。
替代地，记录介质可以对应于集成电路，在所述集成电路中，包含有程序，所述电路适于执行讨论中的方法或者在执行讨论中的方法中使用。
附图说明
从参照附图(示出没有限制特征的实施例)的以下描述中，本发明的其它特征和优势将变得显而易见。在所述附图中：
图1是本发明的实施例中的控制系统的简图；
图2示出了与图1的系统中的同步电机的转子的真实和估计位置有关的参考系；和
图3是图1的控制系统的方块图，其中，由功能模块代表控制单元的操作。
具体实施方式
图1示出了本发明的实施例中的用于永磁同步电机的控制系统。图1系统包括控制单元1、脉宽调制变换器2、永磁同步电机3。
同步电机3包括承载永磁铁的转子和具有三相绕组的定子。定子的三相电压给出为Vabc，定子的三相电流给出为Iabc。同步电机3的特征在于不同的尺寸，特别在于定子动态电感。同步电机3是这样的电机：在所述电机中，定子的动态电感取决于转子的位置。因此，其可以是具有凸极转子的同步电机；但是其还可以是具有平滑转子的同步电机，其中，面向转子磁铁的定子齿略微饱和，或者通过对沿着估计的同相轴线的定子电流施加足够高的正值而使得所述定子齿略微饱和。本领域技术人员已知这种电机结构，因此在此将不再详细描述这种电机结构。
变换器2根据由控制单元1提供的电压设定值Vabc*通过脉宽调制从电源电压(未示出)对同步电机3传送三相电压Vabc。本领域技术人员已知这种变换器2的操作，因而在此将不再详细描述。
控制单元1确定用于传送到变换器2的三相电压设定值Vabc*，以控制同步电机3。为此，如下文解释的那样，控制单元1基于作为转子位置的函数的定子动态电感的变化估计同步电机3的转子位置。
在示出的实施例中，控制单元1表现为计算机的硬件结构，包括处理器4、非易失性存储器(non-volatile memory)5、易失存储器6、和输入/输出界面7。处理器4用于在使用易失存储器6的同时执行存储在非易失性存储器5中的计算机程序。通过执行这种程序来实现如下所述对控制单元1的操作。输入/输出界面7特别用于获得同步电机3的电流Iabc的测量结果并且将电压设定值Vabc*传送到变换器2。
在变型方案中，控制单元1是数字信号处理器(DSP)的数字控制单元，或者是微控制器，或者是现场可编程门列(FPGA)类型的卡。
参照图2，以下解释控制单元1估计同步电机3的转子位置的原理。
已知，能够由与同步电机3的转子相关的参考系d、q中的同相电压Vd和正交电压Vq来表示电压Vabc。同样，能够由参考系d、q中的同相电流id和正交电流iq表示电流Iabc。图2示出了参考系d、q和表示转子相对于基准轴线α的位置的角度θ。
考虑具有凸极的电动机，对于具有凸极的电动机，能够根据转子的位置θ并忽视高次谐波，以以下形式给出相位的自身电感的变化：
这个方程式由常量部分(平均值)和周期等于180°电角度的变量部分构成。θ0取决于所考虑的相位。
在d、q参考系中，针对同步电机3的方程式如下(并且即使在饱和条件下也有效)：
其中P(θ)是如下定义的旋转矩阵：
(id，iq)，(vd，vq)，and(Ψd，Ψq)是电流、电压和总定子磁通的同相和正交分量，Ω是同步电机3的真实机械转速，Rs是绕组的电阻，p是极对的数量。
仅仅考虑施加在定子上的电动势的第一谐波，并且忽略等效线圈d和q(mdq＝0)之间的交叉饱和的作用，假定：
其中，Id和Iq分别是同相动态电感和正交动态电感。
因为本描述局限于低速以及停止状态，所以假设忽略不计与速度Ω成比例的项。方程式(3)能够简化为：
迄今为止能够发现的是，方程式完全解耦。沿着d轴线注入电压将不会导致沿着q轴线出现任何电流响应。
当在同步电机3中不存在位置传感器时，控制单元1不会获得或者使用转子位置θ并因此确定估计位置图2还示出了与转子估计位置有关的参考系δ、γ。用角度表示两个参考系之间的估计误差。两个参考系均以真实参考系的电速度pΩ(Ω是转子的机械速度)和估计参考系的pΩs(Ωs是转子的估计机械速度)相对于定子旋转。
通过借助于矩阵施加旋转δ、γ参考系中的方程式(3)将成为：
其中：
其中：
再次说明，因为假设低速条件，所以能够通过忽略与Ω成比例的项来简化这些方程式：
在简化之后，这些方程式能够变成以下形式：
已经能够发现的是，估计参考系δ、γ中的针对同步电机3的方程式再次耦合。这种耦合取决于电机的凸极(更加精确地，基于动态磁凸出，即，同相和正交动态电感之间的差，(Iσ-Id))项)，并且取决于估计误差
换言之，利用凸极和关于估计位置的误差，电压的分量δ的变化将使得定子电流的分量γ中出现耦合项(给出为Δiγ)。如果误差为零，则这一项消失。
图3示出了在控制单元1中使用的原理。在图3中，以功能模块的形式呈现控制单元1的操作，所述功能模块可以对应于执行计算机程序的图1的处理器4。
控制单元1包括电流调节器10、周期信号发生器11、加法运算模块12、转换器模块13、转换器模块14、确定模块15、速度估计器16、以及积分器17。
控制单元1在估计参考系δ、γ中工作并且操纵以下数值，特别地：
·同相电流设定值iδ*和正交电流设定值iγ*；
·同相电压设定值同相电压设定值正交电压设定值vγ*；
·高频周期信号G；
·估计转子速度Ωs；和
·估计转子位置
电流调节器10根据同相电流iδ、正交电流iγ、同相电流设定值iδ*、正交电流设定值iγ*确定同相电压设定值和正交定值vγ*。本领域技术人员了解如何实施这种电流调节，因此在此将不详细描述。
周期信号发生器11传送高频周期信号G。术语“高频”用于表示低于变换器2中的脉宽调制的频率但是却高于电流调节器的截止频率的频率。在这个示例中，周期信号G是电压脉冲信号。选择其脉冲的幅度，该幅度大到足以在方程式(13)中发现显著的耦合项。但是，这种幅度不能太大，因为将存在干扰控制并且使得同步电机3中的损耗增大的风险。本领域技术人员已知如何根据这些指示确定适当的尺寸。
加法运算模块12根据同相电压设定值和周期信号G确定电压设定值更加精确地，同相电压设定值vδ2*交替地等于同相电压设定值或者同相电压设定值加上周期信号 例如，通常等于 每20个脉宽调制周期(变换器2的调制周期)等于一次，每次持续变换器2的脉宽调制的三个调节周期。
转换器模块13将电压设定值从估计参考系δ、γ转换成定子参考系abc中的设定值。换言之，转换器模块13根据转子电压设定值正交电压设定值vγ*，和转子的估计位置确定变换器2的定子电压设定值Vabc*。本领域技术人员了解如何制造这种转换器模块，因此将不详细描述。
转换器模块14将在同步电机3中测量的定子电流Iabc转换成估计参考系δ、γ中的电流。换言之，转换模块14根据定子电流Iabc和转子的估计位置确定转子电流iδ和正交电流iγ。本领域技术人员了解如何制造这种模块，因此不再详细描述。
确定模块17确定当将周期信号G注入到电压的分量δ上时出现在分量γ中的耦合项Δiγ。如上所述，在凸极转子的情况中并且在转子的估计位置出现误差时出现耦合项Δiγ。更加精确地，确定模块17通过计算在脉冲之前的瞬间vδ2*＝vδ1*时的正交电流iγ和当vδ2*＝vδ1*+G时的正交电流iγ之间的差确定耦合项Δiγ。在此认为，在脉冲期间，vδ1*仅仅缓慢变化。
速度估计器16根据耦合项Δiγ确定转子的估计速度Ωs。更加精确地，已知，如果误差为零，则耦合项Δiγ消失。因此速度估计器16借助于校正器将耦合项Δiγ调节为零。校正器的输出给出速度的估计值。根据耦合符号，能够确定估计参考系是否相对于真实参考系提前或者拖延。然后，校正器增加估计速度或者相反地使其减小，以使两个参考系一致。举例说明，使用的校正器是比例积分(PI)类型的校正器，从计算时间的观点来看，所述比例积分型的矫正器尤为有利。然而，还能够使用其它类型的校正器。PI校正器具有以下形式：
其中，Ω0和τ是估计器的参数，用于确定估计值和其动态行为的收敛。
积分器17通过对估计速度Ωs进行积分来确定转子的估计位置
在方程式(12)和(13)中，作为位置误差的函数的三角项具有п周期(180°电角度)。结果，取决于初始位置误差，这种误差可以收敛于0或者收敛于п。如果初始误差太大则该方法易于收敛于п误差并且在没有传感器的情况下控制可能失败。同样，对于平滑转子电机而言，如果初始误差太大，则更加难以使得电机略微饱和以获得Id和Iσ之间的显著差。在方程式中(12)和(13)中存在项(Id-Iq)，以确保估计器收敛。如果初始误差不足够小，则定子电流施加的安匝数(amp-turns)将面临不具有足以使得电机饱和的同相分量的风险。特别地，在初始误差大于п/2的情况中，甚至存在减小电机饱和并且不能引起磁凸出(magetic salience)的风险。以为了克服这些问题并且确定初始估计位置能够使用D.Tanaka，R.Moriyama，I.Miki给出的在2006年7月发表的ElectricalEngineering in Japan第156卷第4期"Initial rotor position estimation ofinterior permanent magnet synchronous motor using optimal voltage vector"中描述的初始化方法。
如上所述，积分器17传送的估计位置特别由转换器模块13和14使用
由控制单元1确定的估计位置存在若干优势：
·将电压脉冲注入在轴线δ上而非注入在轴线γ上。当误差变小时，轴线δ与轴线d一致，结果，由源自脉冲的电流产生的扭矩变得微不足道并且不会干扰同步电机3的控制。此外，在这种情况下，由这些脉冲导致的定子电流的分量d有助于使得磁路饱和并且因此增加了凸极而且有助于收敛。
·通过对估计的速度进行积分而非直接计算位置。因此不存在估计和电流基准不连续性。
·估计方法简单不累赘，因而具有短的计算时间。
·因为不需要了解同步电机3的参数和它们的变化，所以获得较大的鲁棒性。
本发明尤其适用于包括飞行控制、制动系统、延伸起落架或者利用具有永磁同步电动机的电子致动器的任何系统的航空应用类型，在即使处于停止状态也必须能够控制位置并且因此传送转矩的任何情况下都适用。
在上述实施例中，周期信号G是脉冲信号。在替代实施例中，周期信号G是高频正弦信号。电流响应于注入的正弦电压，然后估算电感Iδ和Iγ以及互感mδγ(见方程式(10))。因为存在估算误差所以由估算器模块16校正使其具有零值。较之基于由脉冲构成的周期信号G的技术，这种技术更难以实施。与脉冲不同，如何使用变换器2(具有由脉宽调制确定的切换频率)在这样的频率条件下注入信号并非显而易见，所述频率远远大于控制信号的电频率，以避免干扰调节。此外，为了处理所形成的电流响应，必须使用以注入的信号的频率为中心的带通滤波器。
Claims (8)
1.一种用于控制具有定子和转子的永磁同步电机(3)的控制方法，所述方法包括：
·确定所述转子的估计位置(θ)的步骤；
·根据定子电流(Iabc)和所述转子的估计位置(θ)确定同相电流(iδ)和正交电流(iγ)的步骤；和
·根据所述同相电流(iδ)、所述正交电流(iγ)、同相电流设定值(iδ*)和正交电流设定值(iγ*)确定第一同相电压设定值(vδ1*)和正交电压设定值(vγ1*)的步骤；
所述方法的特征在于，其包括：
·确定第二同相电压设定值(vδ2*)的步骤，所述第二同相电压设定值交替地等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)或者所述第一同相电压设定值(vδ1*)加上预定周期信号(G)；
·根据所述第二同相电压设定值(vδ2*)、所述正交电压设定值(vγ*)和所述转子的估计位置(θ)确定定子电压设定值(Vabc*)；和
·根据所述定子电压设定值(Vabc*)控制所述同步电机(3)的步骤；
其中，所述确定所述转子的估计位置(θ)的步骤包括：
·根据当所述第二同相电压设定值(vδ2*)等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)时的所述正交电流(iγ)和当所述第二同相电压设定值(vδ2*)等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)加上所述预定周期信号(G)时的所述正交电流(iγ)之间的差确定耦合项(Δiγ)的步骤；
·根据所述耦合项(Δiγ)确定所述转子的转速(Ωs)的步骤；和
·通过对所述转子的转速(Ωs)进行积分来确定所述转子的估计位置(θ)的步骤。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，根据所述耦合项确定所述转子的转速(Ωs)的步骤包括使用校正器，用于取消所述耦合项(Δiγ)。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的控制方法，其中，所述预定周期信号(G)是脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述根据所述定子电压设定值(Vabc*)控制所述同步电机的步骤包括将所述定子电压设定值(Vabc*)传送至脉宽调制变换器(2)，所述脉宽调制变换器具有预定周期，所述第二同相电压设定值(vδ2*)每15至25个周期等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)加上所述预定周期信号(G)一次，每次持续一至三个脉宽调制周期。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述转子是凸极转子。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其中，所述转子是平滑转子，所述方法包括使得面向转子极的定子齿饱和的步骤。
7.用于控制具有定子和转子的永磁同步电机(3)的控制单元(1)，所述控制单元(1)包括：
·用于确定所述转子的估计位置(θ)的装置；
·用于根据定子电流(Iabc)和所述转子的估计位置(θ)确定同相电流(iδ)和正交电流(iγ)的模块(14)；和
·用于根据所述同相电流(iδ)、所述正交电流(iγ)、同相电流设定值(iδ*)和正交电流设定值(iγ*)确定第一同相电压设定值(vδ1*)和正交电压设定值(vγ1*)的模块(10)；
所述控制单元的特征在于，其包括：
·用于确定第二同相电压设定值(vδ2*)的模块(12)，所述第二同相电压设定值(vδ2*)交替地等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)或者所述第一同相电压设定值(vδ1*)加上预定周期信号(G)；
·用于根据所述第二同相电压设定值(vδ2*)、所述正交电压设定值(vγ*)和所述转子的估计位置(θ)确定定子电压设定值(Vabc*)的模块(13)；和
·用于根据所述定子电压设定值(Vabc*)控制所述同步电机(3)的控制装置(7)；
其中，所述用于确定所述转子的估计位置(θ)的装置包括：
·根据当所述第二同相电压设定值(vδ2*)等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)时的所述正交电流(iγ)和当所述第二同相电压设定值(vδ2*)等于所述第一同相电压设定值(vδ1*)加上所述预定周期信号(G)时的所述正交电流(iγ)之间的差确定耦合项(Δiγ)的模块(15)；
·根据所述耦合项(Δiγ)确定所述转子的转速(Ωs)的模块(16)；和
·通过对所述转子的转速(Ωs)进行积分来确定所述转子的估计位置(θ)的模块(17)。
8.控制系统，所述控制系统包括根据权利要求7所述的控制单元(1)、变换器(2)和同步电机(3)。
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