CN1193843A

CN1193843A - 控制旋转电机的方法,所用伺服控制系统及旋转电机

Info

Publication number: CN1193843A
Application number: CN98106347A
Authority: CN
Inventors: 奥里维尔·伯豪克斯; 瑟格·鲍拉思; 简－鲁思·托马斯; 卡马尔·艾特·马里兹; 吉·博纳德
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1998-09-23
Also published as: FR2759216B1; BR9800572A; KR19980071133A; TW373365B; FR2759216A1; AU5293898A; AU725374B2; US6087801A; CA2226390A1; EP0858155A1; JPH10240349A

Abstract

在一种控制n相旋转电机、此n相旋转电机由定义了mⁿ个定子相电压矢量状态的逆变器来进行供电的方法中,对电磁扭矩Г和定子磁通量丨Φ_s丨进行伺服控制。一个计算装置一个接一个地依次计算出相电压矢量的n个状态,使扭矩Г和磁通量丨Φ_s丨接近于设定点Г_ref、丨Φ_s丨_ref。每次采样时,计算装置都计算出相位矢量当前状态的剩余作用时间以及更新的、将来状态的作用时间。与采样时间和计算时间异步进行,计算装置发送出SPmLL开关控制信号,使此开关从当前状态转换到下一状态。

Description

控制旋转电机的方法，所用伺服控制系统，及旋转电机

本发明涉及一种控制旋转电机的方法，一种实现所述方法的伺服控制系统以及一种具有此类系统的旋转电机。

更确切地说，本发明涉及一种控制异步旋转电机的电磁扭矩以及定子磁通量的方法，所述异步旋转电机具有一个从低速到高速的高动态范围。

US-A-4678248涉及一种控制方法，其中控制参数是电磁扭矩和定子磁通量。

该方法利用的是电机以及逆变器的矢量模型。

已知电机的电磁扭矩是转子磁通量旋转矢量和定子磁通量旋转矢量之间角度以及这些磁通量矢量模数的函数。换句话说，电磁扭矩Γ_em是磁通量旋转矢量矢量积的函数

Γ_em＝K(φ_R×φ_s)

定子电压矢量V_S由一个三相逆变器提供，此三相逆变器的每相包括一个二-状态SP2LL(单极性二逻辑电平)开关。因此，定子电压矢量V_S可呈八种状态V₁…V₈(2³)，根据逆变器三个SP2LL开关的组合，其中的两种状态V₁、V₈，在定子的固定参考坐标系(α，β)中，呈零幅(零位状态)。

DTC(直接扭矩控制)系统依靠通过使定子磁通量旋转矢量φ_s相对于转子磁通量φ_R进行加速、以增大扭矩Γ_em(增大二磁通量矢量之间的夹角)和阻止定子磁通量矢量φ_s、从而使转子磁通量矢量φ_R赶上定子磁通量矢量、以减少扭矩Γ_em(减少二磁通量矢量之间的夹角)，从而在定子参考坐标系(α，β)的滞后频带H内、保持定子磁通量旋转矢量φ_s的模数|φ_s|，并控制扭矩Γ_em。

定子磁通量矢量φ_s可利用一个有限表格来进行控制。对于在定子坐标系(α，β)平面内旋转的定子磁通量矢量φ_s的一个给定位置N_i(i＝1…6)，此表格包括定子相电压矢量V_S的状态V₁…V₈，即阻止定子磁通量矢量的状态(零位状态V₁，V₈)以及使磁通量矢量φ_s、φ_R之间的角度张开、同时在滞后频带H内维持定子磁通量矢量φ_s的状态。

在转子旋转速度较低的情况下，上述方案的动态响应很微弱。特别是，负阶跃响应时间大约是同样幅度正阶跃响应时间的4倍。

另外，所提供的技术只是利用定子磁通量的控制(在滞后频带内维持定子磁通量模数)来实现扭矩的控制。但并未给出这样的装置，即在其中所需的定子磁通量的控制与扭矩Γ_em的控制能够同时进行。

US-A-5610485涉及一种异步旋转电机控制方法，该方法将DTC方法用于一个速度范围并将滞后加到扭矩上。此外该方法还提供了两种附加操作方式，一种用于低速，另一种用于高速。

低速时的操作方式以迫使逆变器转换频率为基础。

高速时的操作方式是全波方式。

上述方法的主要缺点之一在于，当控制系统记录下滞后变量之一的超调量时，则在采样时间时启动相位矢量从一个状态转换到另一个状态。因此，对于系统来说，要有一个好的动态(防止过量的超调)，利用短采样时间(T_ech＝50μs；f_ech＝20KHz)、此采样时间可导致大大高于实时装置中通常所用采样频率的高采样频率，是很有必要的。

此外，利用控制定子磁通量(在滞后频带中维持定子磁通量模数)来控制扭矩的问题，还没有得到解决。也没有提供定子磁通量控制与扭矩Γ_em控制共同进行的装置。

最后，转变为全波方式也难以实现。

本发明的一个目的是，提供一种控制异步旋转电机电磁扭矩和定子磁通量的方法，其中逆变器转换时间通过计算来预定出，并与采样或计算时间异步进行。在此方式下，采样频率无需再与已有技术当中的一样高，可以降低为已有技术实时装置中所用的标准频率(2KHz和5KHz之间)。

本发明的另一个目的是，提供一种控制异步旋转电机电磁扭矩和定子磁通量的方法，其中电磁扭矩和定子磁通量可同时调节。

本发明的另一个目的是，提供一种控制异步旋转电机电磁扭矩和定子磁通量的方法，其中转变为全波方式无需进行任何方案的改变。

为此，本发明涉及一种控制n相旋转电机的方法，该n相旋转电机由具有n个SPmLL开关、定义了mⁿ个定子相电压矢量状态的逆变器来提供交流，在可采用各种控制方案、每种方案都具有各自应用条件的一个伺服控制系统的作用下，所述电机的电磁扭矩Γ和定子磁通量|φ_s|从动于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref，所述的伺服控制系统包括一组传感器，其所检测到的数值传送到一个采样观测器，观测器的输出，即在一给定的采样时间T_e内得到的采样，送入一个计算装置，所述计算装置输出控制信号，用于控制逆变器的SPmLL开关。

在此方法中，根据所采用控制方案的应用条件，通过顺序地转换n个状态次序以及所述n个状态次序中每一个的作用时间dt_k k∈{1，…，n}，计算装置一个接一个地依次计算出相电压矢量的n个状态，使扭矩Γ和磁通量|φ_s|接近于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref，每次采样时，计算装置都计算出相位矢量当前状态的剩余作用时间以及其更新的、将来状态的作用时间，与采样时间和计算时间异步进行，在当前状态的作用时间结束时，计算装置发送出SPmLL开关控制信号，使此开关从当前状态转换到下一状态。

在一种操作方式下，计算装置在一个正交三维的参考计算坐标系内进行计算，此正交三维参考计算坐标系包括定子磁通量φ_s的定子平面(φ_sα，φ_sβ)和垂直于所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)、代表扭矩Γ的轴，设定点Γ_ref、|φ_s|_ref由圆η_ref表示，该圆位于与定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|_ref，与所述垂直轴相交于Γ_ref；旋转电机提供的数值Γ、φ_s，由圆η上的一个点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)来表示，圆η位于与定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|，与所述垂直轴相交于Γ；控制方案是一个与旋转电机的旋转频率相异步的方案，其中通过n个状态的顺序作用，依次地计算出电压矢量的n个状态，从而使得点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)会聚于圆η_cal的任一点D上，圆η_cal的中心位于所述垂直轴上，半径为|φ_s|_cal，与所述垂直轴相交于Γ_cal；在一预先给定的时间内，所述的计算装置计算出圆η_cal的方程，从而使得顺序作用时间、生成的平均扭矩Γ和平均定子磁通量|φ_s|大体上分别等于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref。

特别是，n可等于3，控制方案以一个SOCMLI作用周期为基础，计算装置应寻找出由顺序的三种状态一包括初始状态V_i、与V_i相邻的两种状态V_adj中之一以及零位状态(V₀)组成的、电压矢量的一个唯一三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，此三种状态相应的作用时间dt_i、dt_adj、dt_o都是正值，并且所述的作用时间之和等于逆变器转换时间T_d的一半。

因此，此方法的步骤是

a)计算装置寻找唯一的三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…mⁿ-1}，并计算出在圆η_cal上的假定到达点D′，

b)此计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_i，

c)每次采样时，计算装置都要计算出当前点A′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V_i的剩余作用时间dt_ir以及将来状态V_adj和V_o的更新时间dt_adj和dt_o，

d)如果dt_ir≤T_e，计算装置则预计出自状态V_i到状态V_adj的转换时间，

e)当到了与采样时间和计算时间异步进行的转换时间时，计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_adj，

f)每次采样时，计算装置都要计算出当前点B′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V_adj的剩余作用时间dt_adjr以及将来状态V_o的更新时间dt_o，

g)如果dt_adjr≤T_e，计算装置则预计出从状态V_adj到状态V_o的转换时间，

h)当到了与采样时间和计算时间异步进行的转换时间时，计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V₀，

i)每次采样时，计算装置都要计算出当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V_o的剩余作用时间dt_or，

j)如果dt_or≤T_e，计算装置则寻找一个新的唯一三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，并预计出从状态V₀到状态V′_i的转换时间，

k)当到了与采样时间和计算时间异步进行的转换时间时，计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V′_i，

计算装置利用步骤c)到k)来处理新的三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)。

在步骤c)中，计算装置求解出下列方程组：

其中，λ是一个参数，该参数定义了圆η_cal在D′处切线上点D的位置。

在步骤f)中，计算装置利用最小二乘法求解下面的方程组：

在步骤i)中，计算装置利用最小二乘法求解下面的方程组，计算出当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V₀的剩余作用时间dt_or：

| \overset{o}{Γ} \underset{1}{(V_{0})} | | d t_{0} | = | \underset{1 / 2 T_{d} - t_{c}}{Γ (D) - Γ (C^{'})} |

在步骤d)中，计算装置预计出从状态V_i到其他与V_i状态相邻的状态的转换时间，以使点B′的轨迹沿着圆η_cal重新定位。

如果没有唯一的三元组(V_o，V_i，V_adj)，计算装置则在时间间隔1/2T_d内，在圆η_cal上顺序地寻找除零位状态之外的两种状态(V_i，V_adj)，以能够最好地逼近点A′(φ_sα，φ_sβ，Γ)。

在另一种操作方式下，计算装置在一个正交三维的参考计算坐标系内进行计算，此正交三维参考计算坐标系包括定子磁通量φ_s的定子平面(φ_sα，φ_sβ)和垂直于所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)、代表扭矩Γ的轴，设定点Γ_ref、|φ_s|_ref由圆η_ref表示，该圆位于与定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|_ref，与所述垂直轴相交于Γ_ref；旋转电机提供的数值Γ、φ_s，由圆η上的一个点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)来表示，圆η位于与定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|，与所述垂直轴相交于Γ；控制方案是一个与旋转电机的旋转频率相同步的方案，其中通过n个状态的顺序作用，依次地计算出电压矢量的n个状态，从而使得点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)会聚于圆η_cal的一点D上，圆η_cal的中心位于所述垂直轴上，半径为|φ_s|_cal，与所述垂直轴相交于Γ_cal；通过定子平面(φ_sα，φ_sβ)内定子磁通量矢量的一个预定的最后位置，所述的计算装置计算出圆η_cal的方程，从而使得顺序作用时间、生成的平均扭矩Γ和平均定子磁通量|φ_s|大体上分别等于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref。

定子磁通量每旋转一周所允许的预定位置数是有限的，并且取决于旋转电机的旋转速度范围。

特别是，n可等于3，控制方案应使计算装置得到一个由顺序的三种状态—包括初始状态V_i、与V_i相邻的两种状态V_adj中之一以及零位状态(V₀)组成的、电压矢量的一个唯一三元状态组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，此三种状态相应的作用时间dt_i、dt_adj、dt_o都是正值，所述的三元组与圆η_cal相交于一个已知点D。

因此，在一个旋转电机的初始化步骤中，根据各种不同的旋转电机旋转速度范围，将三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}保存在计算装置的存储器当中，以便能够从定子磁通量矢量的一个预定位置变化到另一个预定位置，并且在操作当中，

a)计算装置根据旋转电机的旋转速度以及定子磁通量所处的预定位置，找出将要进行作用的三元组(V_i，V_i，V_adj)，

b)此计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_i，

f)每次采样时，计算装置都要计算出当前点B′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V_adj的剩余作用时间dt_adj以及将来状态V_o的更新时间dt_o，

g)如果dt_adjr≤T_e，计算装置则预计出从状态V_adj状态V_o的转换时间，

j)如果dt_or≤T_e，计算装置则预计出从状态V₀到状态V′_i的转换时间，此外计算装置找到一个新的唯一三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)，以便定子磁通量矢量从将要到达的预定位置处转变到下一预定位置处，且

计算装置根据步骤c)到k)，对新的三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)进行处理。

在步骤c)中，计算装置求解出下列方程组：

在步骤f)中，计算装置求解出下列方程组：

其中，λ是一个参数，该参数定义了当前点B′在定子平面内一条直线上可预知的最后位置，该定子平面穿过扭矩Γ轴并且平行于将要到达的定子磁通量矢量的预定位置。

在步骤i)中，计算装置通过求解下面的方程组，来计算出当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V₀的剩余作用时间dt_or：

Γ(D)＝Γ(A)+[Γ_ref-Γ_mean]

{dt}_{Or} = \frac{Γ (D) - Γ (t_{c})}{\overset{o}{Γ} (V_{0})}

其中Γ_mean是在时间间隔dt_i+dt_adj内所计算出的平均电磁扭矩。

转变为全波方式是由于，零位状态的作用时间dt_o是旋转电机旋转速度的减函数且在旋转电机旋转速度超出预定值时等于0的结果。

本发明也在于一种实现上述方法的伺服控制系统。

本发明最后涉及一种带有上述类型伺服控制系统的旋转电机。

本发明的第一个优点在于，解除了转换时间和计算及采样时间之间的同步作用，这样便使采样时间大大提高，并使此方法可用于标准采样装置。

本发明的另一优点在于，时间概念的明确提出，这样才使得有可能以一种可靠的方式，功率转换器自身所固有的转换频率和最小传导时间这些限制条件进行考虑。

本发明的优点还有，在低速情况下，也具有最佳的扭矩动态。

本发明的其他优点和特征，通过下述参考附图所作的说明可以得出。

图1是根据本发明的一个装置的示意图。

图2和3是本发明异步方式下一个计算实例的示意图解。

图4和5是本发明同步方式下一个计算实例的示意图解。

图6是根据本发明的一个全波方式校正实例的示意图。

本发明涉及一种n相旋转电机1的控制方法，此n相旋转电机1由一个逆变器3来提供交流，此逆变器3包括n(SPmLL：单极性m逻辑电平)个开关4、每个开关具有m个位置、共定义了mⁿ个定子相电压矢量V_s状态V_ii∈{1，…，mⁿ}。

电机1的电磁扭矩Γ和定子磁通量|φ_s|，在一个可利用各种不同控制方案、且每种方案都具有应用条件的伺服控制系统5的作用下，从动于设定点Γ_ref，|φ_s|_ref。

此伺服控制系统5包括一组传感器7，8，9，由其所检测得到的数值传送至一个采样观测器10。

观测器10的输出，即在给定的采样时间T_e内所进行的采样，送入一个计算装置13。

计算装置13输出控制信号6，来控制逆变器3的SPmLL开关4。

观测器10的输出是扭矩Γ和定子磁通量|φ_s|的代表值。

除了采样输出以外，计算装置同时作为输入接收的还有设定点|φ_s|Γ_ref和|φ_s|_ref的代表值。

本发明更为特别涉及的是，在计算装置13中所执行的方法的步骤。

根据所采用控制方案的应用条件，通过顺序地转换n个状态次序以及所述n个状态次序中每一个的作用时间dt_k k∈{1，…，n}，计算装置13一个接一个地依次计算出相电压矢量V_s的n个状态，使扭矩Γ和磁通量|φ_s|接近于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref。

每次采样时，计算装置都计算出相位矢量当前状态的剩余作用时间以及其更新的、将来状态的作用时间。

与采样时间和计算时间异步进行，在当前状态的作用时间结束时，计算装置发送出SPmLL开关4控制信号，使此开关从当前状态转换到下一状态。

因此，上面所述方法通过计算可预计出将来的转换时间，并且可在与采样时间或计算时间无关的、所计算出的时间内进行转换。

在上述的实施例中，尽管计算装置在一个正交三维的参考计算坐标系内一此正交三维参考计算坐标系包括定子磁通量φ_s的定子平面(φ_sα，φ_sβ)和垂直于所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)、代表扭矩Γ的轴，优先进行计算，但这并不是对本发明的限制。

在此计算空间内，设定点Γ_ref、|φ_s|_ref由圆η_ref表示，该圆位于与定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在垂直轴上，半径为|φ_s|_ref，与所述垂直轴相交于Γ_ref。

与此相似，旋转电机提供的当前数值Γ、φ_s，由圆η上的一个点A(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)来表示，圆η位于与定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_sc|，与所述垂直轴相交于Γ_c。

最后，此方法的控制方案是，通过n个状态的顺序作用，依次地计算出电压矢量的n个状态，从而使得点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)会聚于圆η_cal的任一点D上，圆η_cal的中心位于所述垂直轴上，半径为|φ_s|_cal，与所述垂直轴相交于Γ_cal。

为此，所述的计算装置计算出圆η_cal的方程，使得在n个状态顺序作用期间，生成的平均扭矩Γ和平均定子磁通量|φ_s|大体上分别等于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref。

在上述实施例中，为了简化此方法的说明，将旋转电机看作一个三相电机，且逆变器包括的是SP2LL开关。但此方法仍然适用于n相和SPmLL个开关的电机。

因此，在上述实施例中，相电压矢量V_s有8种可能的状态(V₁，…，V₈)，其中的两种为零幅值状态(V₁，V₈)。因此此方法可采用一个三元状态来逼近设定点。

假设它存在，则此方法最好采用由顺序地三个状态一即由一个初始状态V_i、与V_i相邻的两个状态V_adj中之一个以及一个零位状态V_o所组成的三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}。

因此该方法必须定义出此三元组相应的作用时间dt_i，dt_o，dt_adj。对这三个时间间隔进行调整可定义三个自由度。通过这种控制，在三元组作用结束时，必须在圆η_cal上的扭矩和定子磁通量限制条件只有两个自由度。为了确定三个作用时间，因此必须再施加一个附加的限制条件。

本发明的方法提供了两种附加的限制条件，其中每种可决定一个不同的控制方案。

异步控制方案中，附加的限制条件是一个时间限制条件，此限制条件在三元作用结束时进行考虑，与定子磁通量旋转矢量的位置无关。

同步控制方案中，附加的限制条件，是一个与三元组已作用时间无关的、在三元组作用结束时所施加的定子磁通量旋转矢量的位置。

在异步控制方案中(图2，3)：

控制方案以一个作用周期为基础，使得计算装置寻找出一个由顺序的三种状态一包括初始状态V_i、与V_i相邻的两种状态V_adj中之一以及零位状态(V₀)组成的、电压矢量的一个唯一三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，此三种状态相应的作用时间dt_i、dt_adj、dt_o都是正值，并且所述的作用时间之和等于逆变器转换时间T_d的一半：

dt_i+dt_adj+dt_o＝1/2T_d

三元组的唯一性并不意味着它一定存在。如果计算装置无法找到一个具有三个正作用时间的三元组，此方法便开始进行一个已知为下述高瞬态方案的第三控制方案。

在异步控制方案中：

a)计算装置寻找出唯一的三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，并计算出在圆η_cal上的假定到达点D′，

b)此计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_i，

在利用本发明的方法进行计算的一个实例中(图2，3)，状态V_i作用于AB段。在每一采样时间(步骤c))时，计算装置通过求解下面具有三个未知数的三个方程，可以计算出当前点A′的作用时间：

上述具有三个未知数的三个方程的方程组，通过用一个与圆η_cal正切于D′点的平面G来代替假定的到达点D′，来进行线性化。

上述方程组经过线性化后，也就等于求解下面的方程组：

其中，λ是一个参数，该参数定义了圆η_cal在D′处切线上点D的位置，也就是，

其中，D并未作用，且其中，根据定子相电压矢量V_s的状态V_index，

是

的方向导数。

读者应知道，为了计算出方向导数，必须事先将旋转电机模型输入到计算装置中。

因此(SA1)在AB段的每一采样时间内，都给出了三个作用时间dt_ir、dt_adj、dt_o。

当加入V_adj(分段BC)时，失去了依赖于V_i的自由度，使得该方法在三元组作用结束时降低了其对于准确性的要求。在dt_i＝0时，求解方程组(SA1)无法得到准确的解值。计算装置选用一个近似解，以便减少误差。例如计算装置利用最小二乘法。

计算装置利用最小二乘法来求解下面的方程组(步骤f))：

(SA2)给出作用时间dt_adjr和dt_o。

当加入V_o(分段CD)时，失去了依赖于V_adj的自由度，使得此方法在三元组作用结束时，降低了其对于准确性的要求。

因此在三元组作用结束时，便会产生双重的不准确性(三元组作用结束时，三元组的作用时间以及扭矩值)。在dt_adj＝0时，求解方程组(SA2)无法得到准确的解值。计算装置选用一个近似解，以便减少误差。例如计算装置利用最小二乘法。

计算装置利用最小二乘法来求解下面的方程组(步骤i))：

通过最小二乘法来求解下面的方程组：

| \overset{o}{Γ} \underset{1}{(V_{0})} | | d t_{Or} | = | \underset{1 / 2 T_{d} - t_{c}}{Γ (D) - Γ (C^{'})} | - - - - - (SA 3)

(SA3)可计算出dt_or。

在步骤d)中，计算装置预计出从状态V_i到其他与V_i状态相邻的状态的转换时间，以使点B′的轨迹沿着圆η_ref重新定位。如果在dt_i期间，设定点发生了重大变化，这样做是非常有必要的。因此，计算装置便确定出，与V_i相邻的其他状态的作用不再是最佳的。之后在预计时间dt_adj期间加入与V_i相邻的其他状态。

图3中所表示的圆η_cal，η_ref具有相同的半径，但计算装置也可确定用不同半径的圆。

如果没有具有正dt_i、dt_adj、dt_o的唯一的三元组(V_o，V_i，V_adj)，则此计算装置便转换到“高瞬态”控制方案。

计算装置则在时间间隔1/2T_d内，在圆η_ref上顺序地寻找除零位状态之外的两种状态(V_i，V_adj)，以能够最好地逼近点A′(φ_sα，φ_sβ，Γ)。

通过仅给出的一个实例，计算装置也可找出相邻状态对，以减少误差：

ε＝χ·ε_φ+(1-χ)·ε_r

此误差可使定子磁通量及扭矩误差得到加权处理。

而且，限制条件dt_i+dt_adj＝1/2T_d可保证此方法参数特性的合理波动。

在同步控制方案中(图4，5)：通过n个状态的顺序作用以及定子平面(φ_sα，φ_sβ)内定子磁通量矢量的一个预定位置，依次地计算出电压矢量的n个状态，从而使得点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)会聚于圆η_cal的一点D上。

在旋转电机为三相旋转电机且逆变器利用SP2LL开关的情况下，控制方案应使计算装置得到一个由顺序的三种状态一包括初始状态V_i、与V_i相邻的两种状态V_adj中之一以及零位状态(V₀)组成的、电压矢量的一个唯一三元状态组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，此三种状态相应的作用时间dt_i、dt_adj、dt_o都是正值，所述的三元组与圆η_cal相交于一个预知点D。

在此方法中：

在一个旋转电机的初始化步骤中，根据各种不同的旋转电机旋转速度范围，将三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}保存在计算装置的存储器当中，以便能够从定子磁通量矢量的一个预定位置变化到另一个预定位置，并且

在操作当中，

a)计算装置根据旋转电机的旋转速度以及定子磁通量矢量所处的预定位置，找出将要进行作用的三元组(V_o，V_i，V_adj)，

b)此计算装置发送出SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_i，

f)每次采样时，计算转置都要计算出当前点B′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V_adj的剩余作用时间dt_adjr以及将来状态V_o的更新时间dt_o，

在根据本发明的方法进行计算的一个实例中(图4，5)，状态V_i作用于AB段。在每一采样时间内，计算装置通过求解下面的方程组，可以计算出当前点A′的作用时间：

其中θ是到施加点D的固定角度。

在步骤c)中，计算装置求解出下列线性方程组：

其中施加了点D。

因此(SS1)在AB段的每一采样时间内，都给出了三个作用时间dt_ir、dt_adj、dt_o。

当加入V_adj(段BC)时，失去了依赖于V_i的自由度，使得该方法在三元组作用结束时降低了其对于准确性的要求。放弃了依赖于定子磁通量幅值的目标方程。因此，在步骤f)中，计算装置求解下面的方程组：

因此(SS2)给出两个作用时间dt_adjr和dt_o以及段BC上每一采样时间内的λ值。

当加入V_o(段CD)时，失去了依赖于V_adj的自由度，使得此方法在三元组作用结束时，降低了其对于准确性的要求。因此只保留了扭矩目标方程。因机械速度相当高，因此应认真加以选择。因此在步骤i)中，计算装置通过求解下面的方程组，来计算出当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)状态V_o的剩余作用时间dt_or：

Γ(D)＝Γ(A)+[Γ_ref-Γ_mean]

d t_{Or} = \frac{Γ (D) - Γ (t_{c})}{\overset{o}{Γ} (V_{0})}

图5中所表示的圆η_cal，η_ref具有相同的半径。但计算装置也可确定用不同半径的圆。

零位状态的作用时间dt_o是旋转电机旋转速度的减函数，且在旋转电机旋转速度超出预定值时等于0。

此后一特征使得，从同步控制方案转变为全波方案成为一件很容易的事情。在第一阶段，零位状态的作用时间dt_o趋近于0，接着取消掉。系统便进入了全波方式。

读者应知道，在全波方式时，零位状态的作用时间dt_o等于0，意味着不可能再直接控制扭矩。旋转电机的扭矩只能根据下面的规则，通过磁通量的方式来进行控制：

为了增大扭矩Γ，需增大定子磁通量和转子磁通量之间的夹角。为了实现此目的，应对定子磁通量矢量的旋转进行加速。这意味着定子磁通量额定值的减少。

为了减少扭矩Γ，需减少定子磁通量和转子磁通量之间的夹角。为了实现此目的，应减少定子磁通量矢量的旋转速度。这意味着定子磁通量额定值的增大。

这种控制形式，利用一个适用的定子磁通量校正仪，根据扭矩瞬时值与扭矩设定点之间的差值，便可得以实现。

磁通量校正仪以函数ΔΓ＝Γ_ref-Γ_c为基础，按照下面的规则对扭矩进行调节：

对于ΔΓ＞0，校正仪降低定子磁通量的额定值。

对于ΔΓ＜0，校正仪增大定子磁通量的额定值。

本发明也涉及一种实现上面所述方法的伺服控制系统。

最后本发明还涉及一种具有上面所述类型伺服控制系统的旋转机械。

当然，本发明并不局限于所描述的应用实施例，但是，对于本领域的技术人员来说，很显然可以得到多种变形，同时也并不背离本发明的范围。特别是，在不背离本发明范围的前提下，可以对相数、每一单极逻辑电平数、计算空间以及计算方程进行改变。

Claims

1.一种控制n相旋转电机的方法，该n相旋转电机由具有n个SPmLL开关、定义了mⁿ个定子相电压矢量状态的逆变器来提供交流，在可采用各种控制方案、每种方案都具有应用条件的一个伺服控制系统的作用下，所述电机的电磁扭矩Γ和定子磁通量|φs|从动于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref，所述的伺服控制系统包括一组传感器，其所检测到的数值传送到一个采样观测器，所述观测器的输出，即在一给定的采样时间T_e内得到的采样，送入一个计算装置，所述计算装置输出控制信号，用于控制所述逆变器的所述SPmLL开关，在此方法中，根据所采用控制方案的所述应用条件，通过顺序地转换所述n个状态的所述次序以及所述n个状态所述次序中每一个的作用时间dt_k k∈{1，…，n}，所述计算装置一个接一个地依次计算出所述相电压矢量的n个状态，使所述扭矩Γ和所述磁通量|φ_s|接近于所述设定点Γ_ref、|φ_s|_ref，每次采样时，所述计算装置都计算出所述相位矢量当前状态的剩余作用时间以及更新的、将来状态的作用时间，与采样时间和计算时间异步进行，在所述当前状态的作用时间结束时，所述计算装置发送出SPmLL开关控制信号，使此开关从所述当前状态转换到下一状态。

2.根据权利要求1所述的控制方法，所述的计算装置在一个正交三维的参考计算坐标系内进行计算，此正交三维参考计算坐标系包括所述定子磁通量φ_s的定子平面(φ_sα，φ_sβ)和垂直于所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)、代表所述扭矩Γ的轴，所述的设定点Γ_ref、|φ_s|_ref由圆η_ref表示，该圆位于与所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|_ref，与所述垂直轴相交于Γ_ref；所述旋转电机提供的数值Γ、φ_s，由圆η上的一个点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)来表示，圆η位于与所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|，与所述垂直轴相交于Γ；在此方法中，所述控制方案是一个与旋转电机的旋转频率相异步的方案，其中通过所述n个状态的顺序作用，依次地计算出所述电压矢量的所述n个状态，从而使得所述点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)会聚于圆η_cal的任一点D上，圆η_cal的中心位于所述垂直轴上，半径为|φ_s|_cal，与所述垂直轴相交于Γ_cal；在一预先给定的时间内，所述的计算装置计算出所述圆η_cal的方程，从而使得所述顺序作用时间、生成的平均扭矩Γ和平均定子磁通量|φ_s|大体上分别等于所述设定点Γ_ref、|φ_s|_ref。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中，n可等于3，所述控制方案以一个SOCMLI作用周期为基础，所述计算装置应寻找出由顺序的三种状态一包括初始状态V_i、与V_i相邻的两种状态V_adj中之一以及零位状态(V₀)组成的、所述电压矢量的一个唯一三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，此三种状态相应的作用时间dt_i、dt_adj、dt_o都是正值，并且所述的作用时间之和等于所述逆变器转换时间T_d的一半。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其中：

a)所述计算装置寻找唯一的三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，并计算出在所述圆η_cal上的假定到达点D′，然后

b)此计算装置发送出所述的SPmLL开关控制信号，并转换到所述的状态V_i，然后

c)每次采样时，所述计算装置都要计算出所述当前点A′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_i的剩余作用时间dt_ir以及将来状态V_adj和V_o的更新时间dt_adj和dt_o，然后

d)如果dt_ir≤T_e，所述计算装置则预计出自所述状态V_i到所述状态V_adj的转换时间，然后

e)当到了与所述采样时间和所述计算时间异步进行的所述转换时间时，所述计算装置发送出所述的SPmLL开关控制信号，并转换到所述状态V_adj，然后

f)每次采样时，所述计算装置都要计算出所述当前点B′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_adj的剩余作用时间dt_adj以及所述将来状态V_o的更新时间dt_o，然后

g)如果dt_adjr≤T_e，所述计算装置则预计出从所述状态V_adj到所述状态V_o的转换时间，然后

h)当到了与所述采样时间和所述计算时间异步进行的所述转换时间时，所述计算装置发送出所述SPmLL开关控制信号，并转换到所述状态V_o，然后

i)每次采样时，所述计算装置都要计算出所述当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_o的剩余作用时间dt_or，然后

j)如果dt_or≤T_c，所述计算装置则寻找一个新的唯一三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，并预计出从所述状态V_o到所述状态V′_i的转换时间，然后

k)当到了与所述采样时间和所述计算时间异步进行的所述转换时间时，所述计算装置发送出所述SPmLL开关控制信号，并转换到所述状态V′_i，然后

所述计算装置利用步骤c)到k)，来处理新的三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中在步骤c)中，所述计算装置求解下面的方程组：

其中，λ是一个参数，该参数定义了圆η_cal在D′处切线上点D的位置，且在步骤f)中，所述计算装置利用最小二乘法求解下面的方程组：

6.根据权利要求4所述的控制方法，其中在步骤i)中，所述计算装置利用最小二乘法求解下面的方程组，计算出所述当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_o的剩余作用时间dt_or：

| \overset{o}{Γ} \underset{1}{(V_{0})} | | d t_{0} | = | \underset{1 / 2 T_{d} - t_{c}}{Γ (D) - Γ (C^{'})} |

7.根据权利要求4所述的控制方法，其中在步骤d)中，所述计算装置预计出从所述状态V_i到其他与V_i状态相邻的状态的转换时间，以使所述点B′的轨迹沿着所述圆η_cal重新定位。

8.根据权利要求4所述的控制方法，其中如果没有唯一的三元组(V_o，V_i，V_adj)，所述计算装置则在时间间隔1/2T_d内，在所述圆η_ref上顺序地寻找除零位状态之外的两种状态(V_i，V_adj)，以能够最好地逼近所述点A′(φ_sα，φ_sβ，Γ)。

9.根据权利要求1所述的控制方法，所述的计算装置在一个正交三维的参考计算坐标系内进行计算，此正交三维参考计算坐标系包括所述定子磁通量φ_s的定子平面(φ_sα，φ_sβ)和垂直于所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)、代表所述扭矩Γ的轴，所述的设定点Γ_ref、|φ_s|_ref由圆η_ref表示，该圆位于与所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|_ref，与所述垂直轴相交于Γ_ref；所述旋转电机提供的数值Γ、φ_s，由圆η上的一个点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)来表示，圆η位于与所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)平行的平面内，其中心在所述的垂直轴上，半径为|φ_s|，与所述垂直轴相交于Γ；在此方法中，所述控制方案是一个与旋转电机的旋转频率相同步的方案，其中通过所述n个状态的顺序作用，依次地计算出所述电压矢量的所述n个状态，从而使得所述点A(φ_sα，φ_sβ，Γ)会聚于圆η_cal的任一点D上，圆η_cal的中心位于所述垂直轴上，半径为|φ_s|_cal，与所述垂直轴相交于Γ_cal；通过所述定子平面(φ_sα，φ_sβ)内所述定子磁通量矢量的一个预定的最后位置，所述的计算装置计算出圆η_cal的方程，从而使得所述顺序作用时间、生成的平均扭矩Γ和平均定子磁通量|φ_s|大体上分别等于所述设定点Γ_ref、|φ_s|_ref。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中的所述定子磁通量每旋转一周所允许的预定位置数是有限的，并且取决于所述旋转电机的旋转速度范围。

11.根据权利要求9所述的控制方法，其中，n可等于3，所述控制方案应使所述计算装置得到一个由顺序的三种状态一包括初始状态V_i、与V_i相邻的两种状态V_adj中之一以及零位状态(V₀)组成的、所述电压矢量的一个唯一三元状态组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}，此三种状态相应的作用时间dt_i、dt_adj、dt_o都是正值，所述的三元组与圆η_cal相交于一个已知点D。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其中在一个旋转电机的初始化步骤中，根据各种不同的旋转电机旋转速度范围，将三元组(V_o，V_i，V_adj)i∈{2，…，mⁿ-1}保存在所述计算装置的存储器当中，以便能够从所述定子磁通量矢量的一个预定位置变化到另一个预定位置，并且在操作当中，

a)所述计算装置根据所述旋转电机的旋转速度以及所述定子磁通量所处的预定位置，找出将要进行作用的三元组(V_o，V_i，V_adj)，

b)此计算装置发送出所述SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_i，

c)每次采样时，所述计算装置都要计算出所述当前点A′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_i的剩余作用时间dt_ir以及所述将来状态V_adj和V_o的更新时间dt_adj和dt_o，

d)如果dt_ir≤T_e，所述计算装置则预计出自所述状态V_i到所述状态V_adj的转换时间，

e)当到了与所述采样时间和所述计算时间异步进行的所述转换时间时，所述计算装置发送出所述SPmLL开关控制信号，并转换到状态V_adj，

f)每次采样时，所述计算装置都要计算出所述当前点B′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_adj的剩余作用时间dt_adjr以及所述将来状态V_o的更新时间dt_o，

g)如果dt_adjr≤T_e，所述计算装置则预计出从所述状态V_adj到所述状态V_o的转换时间，

h)当到了与所述采样时间和所述计算时间异步进行的所述转换时间时，所述计算装置发送出所述SPmLL开关控制信号，并转换到所述状态V_o，

i)每次采样时，所述计算装置都要计算出所述当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V_o的剩余作用时间dt_or，

j)如果dt_or≤T_e，所述计算装置则预计出从所述状态V_o到所述状态V′_i的转换时间，此外所述计算装置找到一个新的唯一三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)，以便所述定子磁通量矢量从将要到达的预定位置处转变到下一预定位置处，且

k)当到了与所述采样时间和所述计算时间异步进行的所述转换时间时，所述计算装置发送出所述SPmLL开关控制信号，并转换到所述状态V′_i，

所述计算装置根据步骤c)到k)，对新的三元组(V′_o，V′_i，V′_adj)进行处理。

13.根据权利要求12所述的控制方法，其中在步骤c)中，所述计算装置求解出下面的方程组：

且在步骤f)中，所述计算装置求解出下面的方程组：

其中，λ是一个参数，该参数定义了当前点B′在所述定子平面内一条直线上可预知的最后位置，该定子平面穿过所述扭矩Γ轴并且平行于将要到达的所述定子磁通量矢量的预定位置。

14.根据权利要求12所述的控制方法，其中在步骤i)中，

所述计算装置通过求解下面的方程组，来计算出所述当前点C′(φ_sαc，φ_sβc，Γ_c)所述状态V₀的剩余作用时间dt_or：

Γ(D)＝Γ(A)+[Γ_ref-Γ_mean]

d t_{Or} = \frac{Γ (D) - Γ (t_{c})}{\overset{o}{Γ} (V_{0})}

15.根据权利要求11所述的控制方法，其中所述零位状态的作用时间dt_o是所述旋转电机所述旋转速度的减函数，且在所述旋转电机所述旋转速度超出预定值时等于0。

16.根据权利要求15所述的控制方法，其中如果所述零位状态的所述作用时间dt_o等于0，由磁通量校正仪以函数ΔΓ＝Γ_ref-Γ_c为基础，按照下面的规则对扭矩进行调节：

对于ΔΓ＞0，校正仪降低定子磁通量的额定值；

对于ΔΓ＜0，校正仪增大定子磁通量的额定值。

17.一种伺服控制系统，该系统用于一n相旋转电机，此n相旋转电机由具有n个SPmLL开关、定义了mⁿ个定子相电压矢量状态的逆变器来提供交流，所述的伺服控制系统适用于采用不同的、每种方案都具有各自的应用条件的控制方案，且所述电机的电磁扭矩Γ和定子磁通量|φs|从动于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref，所述的伺服控制系统包括一组传感器，其所检测到的数值传送到一个采样观测器，观测器的输出，即在一给定的采样时间T_e内得到的采样，送入一个计算装置，所述计算装置输出控制信号，用于控制所述逆变器的所述SPmLL开关，所述系统可利用权利要求1到16中任一权利要求所要求保护的方法。

18.一种n相旋转电机，此n相旋转电机由具有n个SPmLL开关、定义了mⁿ个定子相电压矢量状态的逆变器来提供交流，在权利要求17所述的、可采用不同的控制方案且每种方案都具有各自的应用条件的伺服控制系统的作用下，所述电机的电磁扭矩Γ和定子磁通量|φ_s|，从动于设定点Γ_ref、|φ_s|_ref，所述的伺服控制系统包括一组传感器，其所检测到的数值传送到一个采样观测器，观测器的输出，即在一给定的采样时间T_e内得到的采样，送入一个计算装置，所述计算装置输出控制信号，用于控制所述逆变器的所述SPmLL开关。