CN104773298B - 控制运输工具的操作杆的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对以与摩擦制动器(3)相反的方式驱动操作杆(2)的同步电动机(8)的控制方法和装置，包括杆的位置(θ)的传感器(9)、和控制计算机(6)，所述控制计算机(6)包括：‑第一调节器(63)，根据电动机的旋转速度(ω_feedback)和设定速度(ω_cmd)之间的差值(Δω)来定义额定控制电压(U*)；‑第二调节器(67)，根据由电动机提供的瞬时扭矩(T)来确定额定控制电压的饱和极限(‑U_sat；+U_sat)；‑饱和器(64)，利用额定控制电压(U*)和饱和极限(‑U_sat；+U_sat)来提供限定控制电压(U_cmd)；‑变流器(68)，根据电动机的角位置(θ)，利用交流电压(U_alim)信号向电动机(8)的各个绕组供电，该交流电压(U_alim)是利用限定控制电压而生成的。

Description

控制运输工具的操作杆的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制运输工具的操作杆的方法和装置，所述操作杆尤其是飞行器的气动操纵杆，其围绕轴旋转且其角位置确定适用于运输工具的至少一个飞行操控机构或推进单元的控制。具体地，本发明涉及用于控制适用于能够同时由自动操纵系统和人类飞行员控制的操作杆的方法和装置。

背景技术

在现代运输工具，尤其是飞行器中，对运输工具的操纵借助于多种操作杆、操纵杆和其它控制构件，其可以有时由人类飞行员手动操作控制，有时由自动操纵系统实现自动控制以及有时由二者同时控制。

例如，飞行器气动操纵杆通常由围绕飞行器的矢状面中的轴旋转的杆构成，该旋转在对应于电动机的最小推力位置的杆朝向仪器后面的极限角位置与对应于最大推力的相反的极限角位置之间进行。当然，根据所安装的传动链，诸如平移、曲线移动等的其它移动也是可能的。在装备有自动操纵系统的飞行器中，可以由该系统根据预置程序来控制电动机推力。然而，为了向飞行员给出关于自动操纵系统所要求的推力的信息，较常见的做法是向杆装备驱动传动链的电动机，该传动链适用于在极限位置之间移动杆，以反映与要求的推力相对应的位置。这种装置被称为“自动节流杆”，与英文术语“auto throttle”相类似。

另外，当自动操纵系统失效时，飞行员可以操作操作杆，以定义适用于当前飞行阶段中的推力。在飞行器装备有电气控制(英文术语“fly-by-wire”)的情况下，需要向操作杆附加摩擦制动器，以向飞行员提供阻力的感知，该阻力类似于由机械操纵杆和/或先前使用的线缆的联动摩擦所造成的阻力。

然而，在某些紧急情况下，在未使自动操纵系统失效的情况下引导飞行员操作气动操纵杆，并且该飞行员可能重新发现其面临其需要在杆上施加大量应力，以超出由作用在操纵杆上的电动机所施加的控制的情况。因此需要设置飞行员手动接管自动操纵系统所需的应力限制。

例如从专利US5,613,652获知一种由伺服电动机来旋转驱动的飞行器气动操纵杆，该伺服电动机由作用于杆位置的闭环控制来控制。该伺服电动机通过摩擦离合器被联接到气动操纵杆，以使得飞行员能够在不需要施加过多应力以抵抗伺服电动机的控制的情况下手动接管操纵杆。为了超出伺服电动机的控制所需的应力也被限制为受离合器的摩擦抵抗的阻力。

然而存在某些情况，其中，优选地将电动机直接连接到杆上，以例如避免由于离合器的滑动而使电动机和杆的位置的测量不一致，或使得对槽口(cran)或活动硬点(pointdur actif)的编程能够适用于能够自触摸位置向飞行员返回。

具体地，在气动操纵杆的移动相对较慢的情况下，通常使用同步型电动机，优选地为永磁型的，其能够获得极好的单位质量功率，呈现比直流电动机更佳的效率，并且不使用电刷，从而避免了易损件。

从机械视点来说，同步电动机具有：为固定部分的静子和为围绕轴旋转的移动部分的转子。从电气视点来说，同步电动机还具有：生成能够使电动机运行的磁场的电感器和通过电流流通生成扭矩和因此使电动机旋转的电枢。可以利用永磁体(在永磁同步电动机的情况下)或由直流电流流经的线圈来实现电感器。此外，电感器或电枢可以交替地是固定的或移动的，即，静止或转子。在当前文本中，作为例子，并且为了简洁，使用永磁同步电动机，其中，由磁体构成的电感器形成转子，而具有绕组的电枢形成静子。因此，电感器不具有线圈，在提及时，出于简化，将“电动机的电枢的绕组”理解为“电动机的绕组”是恰当的。然而，使用全部其它变化形式也是可能的，例如，绕线式电感转子和具有静子的电枢等。

然而，这些同步电动机需要比直流电动机更复杂的、由电子单元的实施而获得的控制。更通常地，电动机组具有：准确地说具有形成电枢的、优选地按三相绕制(每相一个绕组)的静子和优选地为永磁型的电感转子的电动机；利用直流向静子的各个绕组供电的变流器或换流器；以及向控制计算机提供该电动机的位置的位置传感器。

可以采用多种电动机控制模式，例如具有六种状态的简单控制，其中，通过电压脉冲根据电动机的角位置对电动机的每一个绕组进行供电：120°上的正恒定电压，60°上的零电压，接续的120°上的负恒定电压然后最后60°上的零电压用于其中一个绕组，其它两个绕组的供电被减去120°的相位差。

另一种控制方式，即标量控制，包括通过正弦交流电压向各个绕组供电，该正弦交流电压例如由换流器根据电动机的位置来生成。

然而，该类型电动机的优选控制模式保留“向量”控制，其中，控制计算机包括换流器的向量控制的一部分，通过采用转换名称为PARK和CONCORDIA的已知的数学转换，根据电动机的位置以及第一电压和第二电压的控制值来定义静子绕组供电的频率和振幅，第一电压即直流电压Vd，第二电压即二次电压Vq。在第一向量转换器模块和第二逆向量转换器模块中实施这些转换，第一向量转换器模块将直流电压和二次电压的两个值转换为换流器的控制，第二逆向量转换器模块根据换流器所应用的控制来提供第一电流和第二电流的值，第一电流即直流电流Id，第二电流即二次电流Iq。

无论电动机的控制模式是哪种，控制计算机还包括确定控制参数的一部分，例如用于具有六种状态的控制的脉冲电压或用于根据电动机的功能的设定值(例如，电动机的位置或旋转速度又或扭矩)的向量控制的直流电压和二次电压。

通常，调节永磁型同步电动机速度的方法包括：接收电动机旋转速度的设定值的第一调节闭环；将该设定值与电动机旋转速度的测量值进行比较的比较器，例如通过相对时间对电动机的位置信息进行求导；以及适用于根据速度误差来推断电动机的设定扭矩的调节器。调节包括第二嵌套调节闭环，其中，设定扭矩与电动机提供的瞬时扭矩的测量值或估计值进行比较，并且由第二调节器将扭矩误差转换为至少一个电动机控制参数的控制值。

以通用方式，根据电动机消耗的电流的测量值来实现对电动机提供的瞬时扭矩的估计，例如通过测量由开关装置或换流器消耗的平均电流。

然而，发明人观察到，当这种方法例如用于控制气动操纵杆的操作杆的移动时，存在缺点。

事实上，在杆被联接到摩擦制动器的情况下，电动机的负载几乎是恒定的，不管杆的移动速度(和因此电动机的旋转速度)如何。因此，这种传统的电动机速度的调节方法是不可靠的，并存在较大分散度，电流在杆的移动速度的全部变化范围上基本是恒定的。

发明内容

因此本发明旨在提供一种控制操作杆的方法，其不存在现有技术的方法的缺点。

本发明的目的还在于提供一种方法，其能够使飞行员在不需要施加较大应力的情况下手动接管操作杆，并且更确切地，即使当杆被直接联接到电动机时，用于手动接管的应力也是可调节的。

本发明还旨在能够利用易于实施的调节器(例如比例积分型调节器)来实现这种方法。

注意到在本文中，采用术语“比例积分型调节器”或简写“PI调节器”，用于表示根据输入变量的输出变量的调节模块，该输入变量具有至少部分积分的运算。因此这些术语涵盖传统的比例积分运算调节器，但是同样地，RST调节器和全部其它形式的调节不仅考虑输入变量的当前状态，还考虑，即使部分地考虑，其过去状态。

本发明还旨在提供一种控制操作杆的装置，其能够实施根据本发明的方法。

为此，本发明涉及一种针对驱动操作杆，尤其是飞行器的气动操纵杆的电动机的控制方法，其中，该操作杆由同步电动机以与摩擦制动器相反的方式，以由自动操纵系统确定的速度，即设定速度来驱动，所述控制方法包括以下步骤：

-测量电动机的角位置；

-确定电动机的旋转速度；

-确定电压值，即额定控制电压，以根据电动机的旋转速度以闭环的方式来向电动机的各个绕组供电；

-对电动机提供的瞬时扭矩的值进行估计并将所述值与预定的最大扭矩的值进行比较；

-根据扭矩的值的比较来确定额定控制电压的极限值，即饱和极限，以获得限定控制电压；

-根据电动机的角位置，通过交流电压信号来向电动机的各个绕组供电，该交流电压是利用根据预定序列的限定控制电压而生成的。

在该控制方法中，自动操纵系统(例如为飞机的)确定用于执行当前飞行阶段所需的推进器的推力，以及推断气动操纵杆的期望位置和用于从当前位置到期望位置的该杆的移动速度。如有必要，该速度根据在电动机和杆之间安装的传动链被转换为电动机的旋转速度，然后作为设定速度被提供给提供根据本发明的控制方法的输入端。

注意到，可以优选地通过计算来执行对电动机的旋转速度的确定，例如根据时间对电动机位置的测量值进行求导或直接通过由适当传感器(例如，转速发电机)来测量该速度。

发明人惊讶地注意到，通过根据电动机旋转速度(测量的或估计的)和设定速度之间的速度差值来直接调节电压，无需通过电流或扭矩的嵌套调节环，操作杆的驱动控制被大大简化且不会经受不精确联接，这是由于当电动机要求的扭矩以与摩擦制动器相反的方式施加时，电流基本不变。此外，该调节方法仅使用简单的闭环来调节速度，无嵌套环。另外，在该环中，根据速度差值来计算电压控制的调节器是简单调节器，例如比例积分型调节器或RST型调节器又或具有至少部分积分运算的全部类型的调节器。

然而，如果简化了速度调节，电流上没有闭环存在以下缺点：某些情况下不限制电动机扭矩，这些情况具体地为由飞行员以与自动操纵系统所传送的设定值相反的方式手动接管杆的情况。这是为何根据本发明的方法将电动机提供的瞬时扭矩极限设置为对应于当飞行员手动接管杆时其能接受提供的最大扭矩允许值的最大扭矩预定值的原因。为此，估计由飞行员施加或感觉到的瞬时扭矩的值，例如估计或测量由电动机消耗的电流值，又或通过联接到杆的适当的传感器来直接测量该扭矩，以及在将电压控制限制应用到对电动机的各个绕组进行供电之前，引入补充步骤，该补充步骤对由主调节环的调节器提供的电压控制值进行限制。

有利地且根据本发明，利用在电动机的至少一个绕组中测量的电流值来估计电动机提供的瞬时扭矩值。虽然由电动机消耗的电流值不是对电动机传送扭矩的很精确的测量，但是其在扭矩变化较大时是足够的，如当由飞行员手动接管杆时产生的。可以在一个或多个电动机绕组中执行电流的测量，或通过由变流器吸收的供应电动机的电流或通过全部其它等同方式测量。

可选或结合地，根据本发明，利用联接到操作杆的传感器提供的扭矩值来估计由电动机提供的瞬时扭矩值。当然，可以通过将扭矩传感器安装在电动机轴上而消耗的电流来代替或完成对电动机扭矩的估计，以获得扭矩的直接信息。可以以全部适当的方式来实现传感器，例如通过将应力计安装到杆轴的已知距离上。

有利地且根据本发明，选择无电刷的直流三相电动机，以及通过等于根据六种状态的序列的限定控制电压的电压脉冲来执行对电动机的各个绕组的供电。根据本发明的方法大体上可应用于多种类型的电动机并进行控制。还可将其应用于无电刷的直流电动机，该电动机由变流器操纵，该变流器根据电动机位置，依据正或负电压脉冲序列向各个绕组供电。

有利地且根据本发明，选择三相同步电动机，尤其是永磁型的，以及利用其最大值等于限定控制电压的正弦电压来执行对各个绕组的供电。通过利用根据电动机位置向各个绕组供应正弦电压的换流器来向电动机供电，通过限定正弦信号的最大电压和峰值电压来控制扭矩是可能的。

有利地且根据本发明，根据向量控制来操纵电动机，其中，定义第一电压和第二电压，第一电压即直流电压，而第二电压即二次电压，其特征在于，根据电动机的旋转速度，在闭环中，将额定控制电压应用作为二次电压。

向量控制的使用是本发明的优选实施方式，这是由于其具体地能够在低速旋转上得到最佳扭矩掌控。另外，目前可容易得到能够实时实现该控制所需的PARK和CONCORDIA转换的电路。根据速度差值来直接调节二次电压，无需通过二次电流的嵌套调节环，操作杆的驱动控制被大大简化且不会经受不精确联接，这是由于当电动机要求的扭矩以与摩擦制动器相反的方式施加时，二次电流基本不变。此外，该调节方法仅使用简单闭环来调节速度，无嵌套环。另外，在该环中，根据速度差值来计算二次电压控制的调节器是简单调节器，例如比例积分型或RST型调节器。当然，根据本发明的控制方法与前述速度调节并行地保留了根据直流电流的设定值与该电流的测量值之间的差值的直流电压的闭环调节，如所已知的，该调节的目的在于控制电动机通量，以使由焦耳效应造成的损耗最小化。

二次电压的闭环调节包括将该电压限制在预定电压区间上的步骤。为了避免飞行员手动接管杆时在杆上施加较大应力，本发明提供例如通过在确定二次控制电压的调节器与有效应用的二次控制电压之间插设饱和器来限制控制电动机的二次电压。通过欧姆法则的作用，二次控制电压的饱和驱动二次电流的饱和，因此实现对驱动杆的电动机的电动机扭矩的限制。而且，飞行员提供用于手动接管操作杆的应力也可以被限制。

有利地且根据本发明，二次电压饱和极限是可以根据二次电流的测量值而变化的。二次电流值不仅取决于二次控制电压的饱和值，还取决于电动机绕组的电阻、温度等。本发明提供的由二次控制电压饱和极限定义的区间是可以根据二次电流的测量值而变化的。而且，在指定温度的条件下，对于指定电动机，二次电流的测量值越高，二次电压的饱和极限越低，以便将用于手动接管杆的应力保持在预定极限内。

有利地且根据本发明，由比例积分调节器根据二次电流的测量值与对应于施加在操作杆上的最大容许扭矩的设定值之间的差值来确定二次电压的极限值。而且，在向量控制情况下，二次电压的饱和被加控到二次电流，表示在手动接管气动操纵杆时飞行员所感受到的最大可接受扭矩极限。

有利地且根据本发明，预定电压区间是可以根据施加在操作杆上的扭矩而变化的。

有利地且根据本发明，由比例积分调节器根据应用于操作杆的扭矩的测量值与对应于飞行员施加在操作杆上的最大容许扭矩的设定值之间的差值来确定二次电压的饱和极限。在根据本发明的控制方法的变化形式中，将扭矩传感器安装在操作杆的位置处，以测量由飞行员施加的手动接管的实际扭矩并使用该测量值来改变应用于电动机的电压饱和极限。而且，测量的用于手动接管的应力越大，应用于电动机的二次电压的饱和极限就越低，因此减小了电动机扭矩并限制了用于手动接管的应力。

有利地且根据本发明，比例积分调节器具有防累加电路，其适用于避免调节器的积分项溢出。根据电流或直接根据飞行员施加的扭矩来校正电压饱和极限，适于避免调节的积分项溢出导致电压饱和极限控制中的延迟或超出，进而避免飞行员感受到颠动或硬点。本发明的方法因此提供整合防累加电路以当积分项超过预定门限时减小其影响。

出于简化的目的，本描述使用操作杆围绕与电动机共同的轴旋转且由电动机直接驱动的特定情况。以这种方式，杆的移动是对应于电动机旋转的旋转，具有相同的角位移，且杆的移动速度等于电动机的旋转速度。然而，该简化不构成对本发明的限制，其涉及全部类型的杆移动，以及杆移动速度与电动机旋转速度之间的全部类型的对应法则，该对应法则取决于安装在杆和电动机之间的传动链。

本发明还涉及一种针对操作杆，尤其是飞行器的气动操纵杆的控制装置，具有：适用于以与摩擦制动器相反的方式来驱动杆的同步电动机、适用于提供电动机的角位置的位置传感器和包括适用于向电动机供电的变流器的控制计算机，该装置的特征在于，控制计算机具有：

-适用于确定电动机的旋转速度的单元；

-第一调节器，适用于根据电动机的旋转速度与设定速度之间的差值以闭环的方式来定义电压值，即额定控制电压；

-第二调节器，适用于根据由电动机提供的瞬时扭矩与预定扭矩极限之间的差值来确定额定控制电压的极限值，即饱和极限；

-饱和器，适用于利用额定控制电压和由第二调节器提供的饱和极限来提供限定控制电压；

以及该变流器根据电动机的角位置，利用交流电压信号向电动机的各个绕组供电，该交流电压是利用根据预定序列的限定控制电压而生成的。

如前所述，确定电动机的旋转速度的单元可以是计算单元，例如能够利用位置传感器提供的角位置的时间变化来计算电动机旋转速度的求导器，或者是通过使用合适的传感器(例如转速发电机)来直接测量旋转速度的单元。

有利地且根据本发明，控制装置适用于电动机的向量控制，且其特征在于，变流器包括：第一直流向量转换模块，其适用于利用被用作二次电压的限定控制电压来操纵；换流器，其根据电动机的角位置来向电动机的各个绕组供电；以及第二逆向量转换模块，其适用于向控制计算机提供得到的二次电流的值。而且，即使在使用被认为复杂的向量控制时，该装置简单地包括根据电动机旋转速度和设定速度之间的差值的二次电压调节闭环，其中调节器是比例积分调节器。在直流向量转换模块处的饱和之后应用二次控制电压。另外，逆向量转换模块提供二次电流值。

有利地且根据本发明，该装置还具有根据直流电流的直流电压闭环调节。通过向量控制，直流电压调节被保留以限制电动机通量。

有利地且根据本发明，该装置还具有扭矩传感器，其适用于测量由飞行员在操作杆上施加的扭矩值和将所述扭矩值传送给控制计算机的第二调节器，以将扭矩值限制为飞行员在操作杆上施加的最大容许扭矩。

有利地且根据本发明，第二调节器具有防累加电路。无论用于第二调节器的控制变量如何(电流或扭矩)，防累加电流的安装能够限制或避免调节的积分项的溢出，以在手动接管气动操纵杆的动作之后将返回时间控制为状态饱和极限的正常值。

本发明还涉及其特征在于结合上文或下文提及的全部或部分特征的控制方法和装置，以及具有配备有根据上文或下文提及的全部或部分特征的控制装置的操作杆的飞行器。

附图说明

通过对以下描述和附图的阅读，本发明的其它目的、特征和优点将显现，在附图中：

-图1描绘了示出根据本发明的方法的根据本发明的装置的框图，

-图2描绘了示出应用于电动机向量控制的根据本发明的方法的第一变化形式的根据本发明的装置的框图；

-图3是示出根据本发明的方法的第二变化形式的根据本发明的装置的控制计算机的框图的视图；

-图4描绘了为根据本发明的方法的一部分的调节器的细节。

具体实施方式

图1中描绘的控制装置1包括控制杆2，其与永磁同步型三相电动机8的旋转轴5相联结，并且适用于在电动机8的旋转或在由飞行员应用在杆上的应力的作用下围绕轴旋转。举例而言，杆2可以是能够控制飞行器或全部其它运输工具的推进的气动操纵杆的一部分，又或是用于控制操控机构的构件的一部分，例如飞行器襟翼或潜水艇升降襟翼控制等。在以下描述中，所描述的实施例是飞行器气动节流杆，但这不能被解释为对根据本发明的方法和装置的应用范围的限制。

本发明也不受限于电动机8被直接联接到杆2，这两个部件呈现相同的角行程的情况，而是还延展到电动机8通过可逆减速器被联接到杆2的情况，所述可逆减速器使得在电动机8的旋转角和杆2的旋转角之间存在减速。

电动机8和杆2的旋转被实施为与装配在杆和电动机共用的轴5上的摩擦制动器3相反。

如果必要，如本发明的变化形式中的一个所规定的，扭矩传感器4测量：由电动机本身、制动器3产生的、应用于电动机8轴承上的扭矩T，以及由飞行员手动生成的、施加在杆2上的扭矩。

电动机8被耦合到提供电动机角位置θ的位置传感器9。控制计算机6包括变流器68，所述变流器68利用供应电压U_alim向电动机的不同绕组供电。在通常情况下，该供应电压可以是通常形式的正弦交流电压：

其中，θ(t)为相对于预定义基准的电动机角位置，在预定义基准中，三相电动机的第一绕组的相位的值为0，其它两个绕组的相位的值为为2π/3和4π/3。

计算机6包括求导器61，所述求导器61接收电动机角位置θ，并通过相对时间对角位置进行求导来提供电动机的旋转速度ω_feedback。在加法器62中，将速度ω_feedback与自动操纵装置定义的设定速度ω_cmd进行比较。在诸如比例积分调节器之类的第一调节器63中对得出的速度差值Δω进行处理，以提供用于消除该速度差值的额定控制电压U*。

额定控制电压U*然后被传送给饱和器64。饱和器64在输出端提供限定控制电压U_cmd，如果额定控制电压U*大于Usat，则该限定控制电压U_cmd等于饱和值+Usat，或者如果额定控制电压U*小于-Usat，则该限定控制电压U_cmd等于饱和值-Usat。如果额定控制电压U*被包括在这两个饱和极限之间，则限定控制电压U_cmd等于U*。

限定控制电压U_cmd然后被传送给到变流器68，其根据电动机位置和等于限定控制电压的电压峰值来形成电动机绕组的供应电压。

在图1描绘的例子中，扭矩传感器4与操作杆2相关联，以提供由电动机本身、制动器3产生的、应用于电动机8轴承上的扭矩T，以及由飞行员手动生成的、施加在杆2上的可能扭矩。

在飞行员没有在杆2上做动作的情况下，无论电动机的旋转速度是多少，电动机的扭矩都等于受摩擦制动器3抵抗的抗扭矩且基本恒定。

当飞行员干预且手动操作杆2时，电动机旋转速度ω_feedback被改变且与设定速度ω_cmd有差值。第一调节器63尝试通过增加额定控制电压U*和因此由电动机施加的、与飞行员动作相反的扭矩来补偿该差值。为了避免飞行员手动操作时必须施加很大应力，将由扭矩传感器4测量的扭矩T与对应于飞行员手动操作气动操纵杆时其所容许的最大扭矩的设定值T_lim进行比较。为此，形成扭矩T的代数值的绝对值以与扭矩T的符号无关，并且将该绝对值与加法器66中的设定值T_lim进行比较。所形成的扭矩差值ΔT被提供给也为比例积分型的第二调节器67，其改变饱和极限+Usat和-Usat，以将这些极限之间的间隔控制在扭矩差值ΔT中。实际上，因为扭矩差值ΔT接近于零，所以饱和极限之间的间隔更加小。

而且，一旦飞行员在手动操作气动操纵杆时所感受的扭矩接近所容许的最大值，额定控制电压U*的饱和极限+Usat和-Usat彼此相接近，并减小绝对值，由此降低限定控制电压U_cmd。因此，通过较弱的电压向电动机绕组供电，并且由电动机提供的抗扭矩逐渐减小，这允许用有限的扭矩来手动接管。

现在参照所附附图2，其中，描绘了适用于电动机8的向量控制的、根据本发明的方法和装置的变化形式。

计算机6包括第一直流向量转换模块68a，其利用两个控制电压和由传感器9提供的电动机角位置θ来产生三相控制，第一电压即直流控制电压Vd_cmd，而第二电压即二次控制电压Vq_cmd。计算机6还包括第二逆向量转换模块68b，其接收由模块68a控制的换流器11的信息和来自位置传感器9的位置θ。第二模块68b提供返回第一电流和第二电流的测量值，第一电流即直流电流Id_feedback，而第二电流即二次电流Iq_feedback。直流向量转换模块68a和逆向量转换模块68b与换流器11形成前述例子的变流器68的等同物。

控制计算机6包括第一闭环调节，即直流调节70，其根据由加法器71形成的、直流电流Id_feedback与电流设定值Id_cmd之间的差值ΔId来定义调节器72中的直流控制电压Vd_cmd。优选地，直流电流设定值Iq_cmd被固定在零值上，以使在电动机8的绕组中由焦耳效应造成的损耗最小化。

控制计算机6还包括第二闭环调节，即二次调节，其能够定义二次控制电压Vq_cmd。自动操纵系统(未描绘)在计算机6的输入端10上提供应用于电动机8的设定速度ω_cmd。通过加法器62将该设定速度与电动机8的实际旋转速度ω_feedback进行比较，在求导器61中，通过相对时间对位置传感器9提供的电动机角位置θ进行求导获得该实际旋转速率ω_feedback。比较器62输出的速度差值Δω被传送给速度调节器63，其提供返回额定二次控制电压值Vq*。可以比例积分调节器的形式很简单地实现调节器63。发明人实际上注意到，尽管受摩擦制动器3抵抗的抗扭矩几乎是不变的，如同现有技术那样的，当在二次电流上采用嵌套循环时会造成控制的困难，但是在电动机的旋转速度与应用于该电动机的二次电压Vq之间存在一一对应。

额定二次控制电压Vq*然后被传送给饱和器64，饱和器64的功能是将额定控制电压值限制为应用于电动机的限定控制电压Vq_cmd，以限制电动机中的二次电流Iq以及因此限制电动机施加的最大扭矩。如前述例子那样，通过在加法器66中将扭矩传感器4测量的扭矩T的绝对值与设定扭矩Tlim进行比较，然后将扭矩差值ΔT提供给调节器PI 67来实现对该扭矩的限制，以在飞行员感觉到需要手动接管操作杆时，限制由飞行员手动接管施加的、与自动操纵系统相反的应力。

有利地注意到，二次电流Iq未被用于电动机8的速度控制环中。然而，二次电流Iq_feedback的值由逆向量转换模块68b提供，但是只在监控模块69中的监控终止时使用。

现在参照所附附图3，其用于描述上文描述的方法的实施方式的变化形式。如所看到的，由比例积分调节器65确定的原始二次控制电压Vq*被传送给饱和器64，饱和器64在输出端提供二次控制电压Vq_cmd，如果Vq*属于被包括在两个预定值-Vq_sat和+Vq_sat之间的电压区间，则Vq_cmd等于Vq*，以及如果Vq*小于或等于-Vq_sat，则Vq_cmd等于-Vq_sat，或者如果Vq*大于或等于+Vq_sat，则Vq_cmd等于+Vq_sat。

在关于图2所描述的方法的变化形式中，使用饱和器64，其中，饱和极限+Vq_sat和-Vq_sat是可以根据由模块68b提供的二次电流Iq_feedback而变化的。事实上，考虑到电动机8的绕组的电阻值的离散，具体地根据电动机的工作温度，对于相同的饱和电压，在电动机中流通的二次电流，电动机扭矩和因此由飞行员在手动接管操纵杆时施加的、以超出该扭矩的扭矩的像(image)也可以是可变的。为了限制用于手动接管操纵杆的应力，本发明根据测量的二次电流Iq_feedback与对应于飞行员为了手动接管气动操纵杆所施加的应力极限的二次电流的设定值Iq_lim之间的差值来提供对饱和电压的区间宽度的校正。

通过在模块83中取绝对值，模块68b的输出端处测量的二次电流Iq_feedback的代数值起初是正的，然后在比较器82中，将该绝对值与设定值Iq_lim进行比较。获得的差值ΔIq被提供给饱和电压调节器81，饱和电压调节器81提供饱和器64的饱和极限。还可以由比例积分调节器来很简单地实现调节器81。调节器81的功能是：当Iq_feedback小于Iq_lim时，这是对应于用于手动接管的应力小于应力极限的通常情况，积分校正使输出值Vq_sat或驱使其增加到允许二次控制电压Vq_cmd的最大变化的最大界限值(butée)。一旦Iq_feedback接近或超过Iq_lim，输出值Vq_sat减小以限制二次控制电流Vq_cmd并因此将二次电流Iq_feedback限制为表示针对手动接管所容许的应力极限的值Iq_lim。

由于该二次控制电压的饱和值的校正环，将用于手动接管杆的应力保持在精确值上是可能的，而不会就此使电动机8的速度调节复杂化。

无论具有根据二次电流的误差ΔIq或扭矩的误差ΔT的饱和极限的校正的方法的变化形式怎样，不太长时间地限制和太明显地限制二次控制电流Vq_cmd，以及因此限制由调节器67或81操作的调节的积分项对饱和值Vq_sat的影响是很重要的。

为此，调节器被设置有如图4所示的、与调节器81相关联的防累加电路815。电流误差ΔIq一方面被传送给应用比例增益Kp的放大器812，且另一方面被传送给应用积分增益Ki的放大器811。增益Ki所放大的误差被传送给时间函数的积分模块813，然后被传送给加法器814，在加法器814处，该误差与来自放大器812的调节的比例项相加。防累加电路815将加法器814的输出与经饱和器819限制的该相同输出在比较器818中进行比较。如果加法器814的输出小于饱和器814的极限或为负值，则比较器818提供零值输出，而如果加法器814的输出大于饱和极限，则表示执行了限幅。该负值或零值在放大器816中被放大Ki/Kp倍，然后在加法器817中与放大器811输出的、放大了Ki倍的误差相加。以这种方式，当二次控制电压Vq_cmd的饱和极限Vq_sat超过预定门限时，调节的积分项被减小。

当然，仅以举例说明的方式给出本描述，并且本领域技术人员可以作出多种改变而不超出本发明的范围，例如应用具有诸如飞行器升力襟翼控制、船舵控制等的其它操控机构的方法或装置。

Claims (17)

1.一种针对用于驱动操作杆的同步电动机(8)的控制方法，该操作杆是飞行器的气动操纵杆，其中，所述操作杆(2)由所述同步电动机以与摩擦制动器(3)相反的方式，以由自动操纵系统确定的速度，即设定速度(ω_cmd)来驱动，所述控制方法包括以下步骤：

-测量所述电动机的角位置(θ)；

-确定所述电动机的旋转速度(ω_feedback)；

-确定电压值，即额定控制电压(U*)，以根据所述电动机的所述旋转速度以闭环的方式来向所述电动机的各个绕组供电；

-对所述电动机提供的瞬时扭矩(T)的值进行估计并将所述值与预定的最大扭矩(T_lim)的值进行比较；

-根据所述瞬时扭矩的值与所述预定的最大扭矩(T_lim)的值的所述比较来确定所述额定控制电压的极限值，即饱和极限(-Usat；+Usat)，以获得限定控制电压(U_cmd)；

-根据所述电动机的所述角位置，通过交流电压(U_alim)信号来向所述电动机的各个绕组供电，所述交流电压(U_alim)是利用根据预定序列的所述限定控制电压而生成的；

其中，所述预定的最大扭矩(T_lim)的值对应于在接管所述操作杆的控制时所提供的飞行员可接受的估计的瞬时扭矩(T)的最大容许值。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述电动机提供的瞬时扭矩(T)的所述值是利用在所述电动机的至少一个绕组中测量的电流值来估计的。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述电动机提供的瞬时扭矩的所述值是利用由联接到所述操作杆(2)的扭矩传感器(4)提供的扭矩的值来估计的。

4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的方法，其特征在于，选择无电刷的直流三相电动机，以及通过等于根据六种状态的序列的所述限定控制电压(U_cmd)的电压脉冲来执行对所述电动机的各个绕组的供电。

5.根据权利要求1到3中的任意一项所述的方法，其特征在于，选择永磁型三相同步电动机，以及利用其最大值等于所述限定控制电压(U_cmd)的正弦电压来执行对各个绕组的供电。

6.根据权利要求1到3中的任意一项所述的方法，其中，根据向量控制来操纵所述电动机，其中，定义第一电压和第二电压，所述第一电压即直流电压(Vd)，而所述第二电压即二次电压(Vq)，其特征在于，根据所述电动机的所述旋转速度，在所述闭环中，将所述额定控制电压(U*)应用作为二次电压。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述二次电压的饱和极限(-Vq_sat；+Vq_sat)是能够根据二次电流的测量值(Iq_feedback)而变化的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二次电压的所述饱和极限(-Vq_sat；+Vq_sat)是由比例积分调节器(81)根据所述二次电流的所述测量值(Iq_feedback)与对应于施加在所述操作杆(2)上的所述预定的最大扭矩(T_lim)的值之间的差值(△T)来确定的。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述二次电压的所述饱和极限(-Vq_sat；+Vq_sat)是由比例积分调节器(67)根据应用于所述操作杆的扭矩的测量值(T)与对应于由飞行员施加在所述操作杆(2)上的所述预定的最大扭矩(T_lim)的值之间的差值(△T)来确定的。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述比例积分调节器(67；81)具有适用于避免所述调节器的积分项溢出的防累加电路(815)。

11.一种针对操作杆(2)的控制装置(1)，该操作杆(2)是飞行器的气动操纵杆，具有：适用于以与摩擦制动器(3)相反的方式来驱动所述操作杆的同步电动机(8)、适用于提供所述操作杆的角位置(θ)的位置传感器(9)和包括适用于向所述电动机(8)供电的变流器(68)的控制计算机(6)，所述装置的特征在于，所述控制计算机具有：

-适用于确定所述电动机(8)的旋转速度(ω_feedback)的单元(61)；

-第一调节器(63)，适用于根据所述电动机的所述旋转速度(ω_feedback)与设定速度(ω_cmd)之间的差值(△ω)以闭环的方式来定义电压值，即额定控制电压(U*)；

-第二调节器(67；81)，适用于根据由所述电动机提供的瞬时扭矩(T)与预定扭矩极限(T_lim)之间的差值来确定所述额定控制电压的极限值，即饱和极限(-U_sat；+U_sat)；

-饱和器(64)，适用于利用所述额定控制电压(U*)和由所述第二调节器(67；81)提供的所述饱和极限(-U_sat；+U_sat)来提供限定控制电压(U_cmd)；

所述变流器(68)根据所述电动机的所述角位置(θ)，利用交流电压(U_alim)信号向所述电动机(8)的各个绕组供电，所述交流电压(U_alim)是利用根据预定序列的所述限定控制电压(U_cmd)而生成的；以及

其中，所述预定的最大扭矩的值对应于在接管所述操作杆的控制时所提供的飞行员可接受的估计的瞬时扭矩(T)的最大容许值。

12.根据权利要求11所述的控制装置，适用于所述电动机的向量控制，其特征在于，所述变流器(68)包括：

第一直流向量转换模块(68a)，其适用于利用被用作二次电压(Vq)的所述限定控制电压(U_cmd)来操纵；

换流器(11)，其根据所述电动机的所述角位置(θ)来向所述电动机的各个绕组供电；以及

第二逆向量转换模块(68b)，其适用于向所述控制计算机(6)提供得到的二次电流(Iq_feedback)的值。

13.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，所述装置还具有根据直流电流(Id_feedback)的针对直流电压(Vd)的闭环调节(70)。

14.根据权利要求11到13中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，所述装置还具有扭矩传感器(4)，适用于测量由飞行员在所述操作杆(2)上施加的扭矩值以及将所述扭矩值传送给所述控制计算机(6)的所述第二调节器(67)，以将所述扭矩值限制为飞行员在所述操作杆(2)上施加的所述预定扭矩极限(T_lim)。

15.根据权利要求11到13中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，所述第二调节器(67；81)具有防累加电路(815)。

16.一种飞行器，所述飞行器具有操作杆(2)，所述操作杆(2)配备有根据权利要求11到15中的任意一项所述的控制装置(1)。

17.根据权利要求16所述的飞行器，其特征在于，所述控制装置(1)包括控制计算机(6)，所述控制计算机(6)适用于实施根据权利要求1到10中的任意一项所述的控制方法。