控制永磁電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種控制具有定子和轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)(3)的方法。所述方法包括：確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置($)的步驟；確定第二同相電壓設(shè)置值(vδ2*)的步驟，所述第二同相電壓設(shè)置值交替地等于第一同相電壓設(shè)定值(vδ1*)或者第一同相電壓設(shè)定值(vδ1*)加上預(yù)定周期信號(hào)(G)。所述確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置($)的步驟包括：確定耦合項(xiàng)的步驟；根據(jù)耦合項(xiàng)確定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(Ω5)的步驟；和通過對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(Ω5)進(jìn)行積分確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置($)的步驟。
【專利說明】控制永磁電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及控制永磁同步電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 已知，為了控制永磁同步電機(jī)，需要始終掌握其轉(zhuǎn)子的位置。傳統(tǒng)上，位置傳感器 用于測(cè)量電機(jī)的位置并且計(jì)算電機(jī)速度。使用這種傳感器（和伴隨傳感器的處理器卡）的 主要缺陷在于降低了系統(tǒng)的可靠性，其中，可靠性在航空領(lǐng)域中最為重要。這種解決方案的 其它缺陷是加重了系統(tǒng)重量、增加大了系統(tǒng)體積并且增加了系統(tǒng)的總成本。
[0003] 因此已經(jīng)做了大量研究工作，以棄用這種位置傳感器并且因此僅僅根據(jù)測(cè)量定子 電流估計(jì)力學(xué)變量，
[0004] 已經(jīng)提出并且驗(yàn)證了若干方法，用于在不使用位置傳感器的前提下控制中速和高 速狀態(tài)下的同步電機(jī)。這些方法是基于根據(jù)施加的電壓、測(cè)量的電流和描述電機(jī)的方程式 估算空載電磁力（EMF)矢量。因?yàn)镋MF與速度成正比，所以還能夠估算速度，然后僅僅通過 對(duì)速度進(jìn)行積分當(dāng)然也能夠獲得位置。然而，因?yàn)镋MF在電機(jī)停止時(shí)為零并且因?yàn)樵诘退?條件下其被隱藏在測(cè)量噪聲中，所以在這種操作范圍內(nèi)不再能夠發(fā)現(xiàn)EMF。因此，基于估算 EMF的方法不適于需要實(shí)施位置控制的應(yīng)用。
[0005] 為了估計(jì)低速條件以及停止?fàn)顟B(tài)時(shí)的位置，僅存的解決方案是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置使用 定子電感值的變化。已經(jīng)提出利用電感變化的若干方案。
[0006] ?在第一種方法中，原理是每十個(gè)或者二十個(gè)脈寬調(diào)制（PWM)周期切斷控制一 次，并且注入高頻信號(hào)（以高于電流調(diào)節(jié)器的通頻帶的頻率）。注入的電壓與測(cè)量的電流 變化的比率能夠估算電感，并且因?yàn)殡姼谢谖恢茫赃€能夠估計(jì)位置。在J. Kiel，A. BUnte, S. Beineke 給出的在 2002 年 9 月發(fā)表的 EPEPEMC, TP-053, Dubrovnik&Cavat 中的 ''Sensorless torque control of permanent magnet synchronous machines over the whole operation range" 描述了不例。
[0007] ?在第二種方法中，在初始階段中位置估計(jì)中的誤差自身被估計(jì)。借助于校正器將 這種誤差調(diào)節(jié)趨于零。校正器的輸出提供了速度估算，并且通過積分能夠獲得轉(zhuǎn)子的估計(jì) 位置。為了計(jì)算估計(jì)誤差，比較在注入高頻（HF)信號(hào)之后立即測(cè)量的電流與在沒有注入高 頻信號(hào)的情況下理論上可獲得的電流。
[0008] 上述第一類型的方法具有以下缺陷：
[0009] ?直接計(jì)算估算的位置，因此每次計(jì)算均將經(jīng)受不連續(xù)性。因?yàn)楦鶕?jù)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算 基準(zhǔn)電壓，所以基準(zhǔn)電壓也將承受不連續(xù)性，這導(dǎo)致能造成損害的扭力震動(dòng)。
[0010] ?需要停止控制以實(shí)施估算。每十個(gè)或者二十個(gè)PWM周期（根據(jù)所需準(zhǔn)確性）就 有一個(gè)這樣的周期專門用于注入高頻信號(hào)以進(jìn)行估算。
[0011] ?在這種情況下，需要在進(jìn)行估算時(shí)對(duì)定子電流進(jìn)行大量采樣。
[0012] 上述第二種類型的方法具有以下缺陷：
[0013] ?在那些方法中，測(cè)量的電流與應(yīng)當(dāng)理論獲得的電流相比。為了能夠達(dá)到此目的， 為了使方法正確收斂，必須具有電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確模型。因此它們變得取決于與電機(jī)參數(shù)相關(guān) 的不確定性而且還取決于那些參數(shù)的變化。
[0014] ?此外，那些方法僅僅應(yīng)用于平滑轉(zhuǎn)子電機(jī)。
[0015] 因此，存在改進(jìn)低速和零速狀態(tài)下同步電機(jī)的控制的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明力圖通過提出用于控制永磁同步電機(jī)的方法來滿足這種需求，所述永磁同 步電機(jī)具有轉(zhuǎn)子和定子，所述方法包括：
[0017] ?確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置的步驟；
[0018] ?根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置確定同相電流和正交電流的步驟；
[0019] ?根據(jù)同相電流、正交電流、同相電流設(shè)定值和正交電流設(shè)定值確定同相電壓設(shè)定 值和正交電壓設(shè)定值的步驟；
[0020] 所述方法的特征在于其包括：
[0021] ?確定第二同相電壓設(shè)定值的步驟，所述第二同相電壓設(shè)定值交替地等于第一同 相電壓設(shè)定值或者第一同相電壓設(shè)定值加上預(yù)定周期信號(hào)；
[0022] ?根據(jù)第二同相電壓設(shè)定值、正交電壓設(shè)定值和轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置確定定子電壓設(shè) 定值的步驟；
[0023] ?根據(jù)定子電壓設(shè)定值控制所述同步電機(jī)的步驟；
[0024] 其中，確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置的步驟包括：
[0025] ?根據(jù)當(dāng)?shù)诙嚯妷涸O(shè)定值等于第一同相電壓設(shè)定值時(shí)的正交電流和當(dāng)?shù)诙?相電壓設(shè)定值等于第一同相電壓設(shè)定值加上預(yù)定周期信號(hào)時(shí)的正交電流之間的差確定耦 合項(xiàng)的步驟；
[0026] ?根據(jù)所述耦合項(xiàng)確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的步驟；
[0027] ?通過對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置。
[0028] 相應(yīng)地，本發(fā)明提出了用于控制具有定子和轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)的控制單元，所 述控制單元包括：
[0029] ?用于確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置的裝置；
[0030] ?用于根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置確定同相電流和正交電流的模塊；和
[0031] ?用于根據(jù)同相電流、正交電流、同相電流設(shè)定值、正交電流設(shè)定值確定第一同相 電壓設(shè)定值和正交電壓設(shè)定值的模塊；
[0032] 控制單元的特征在于其包括：
[0033] ?用于確定第二同相電壓設(shè)定值的模塊，所述第二同相電壓設(shè)定值交替地等于第 一同相電壓設(shè)定值或者第一同相電壓設(shè)定值加上預(yù)定周期信號(hào)；
[0034] ?用于根據(jù)第二同相電壓設(shè)定值、正交電壓設(shè)定值和轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置確定定子電 壓設(shè)定值的模塊；和
[0035] ?控制裝置，所述控制裝置用于根據(jù)定子電壓設(shè)定值控制所述同步電機(jī)；
[0036] 其中，用于確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置的裝置包括：
[0037] ?用于根據(jù)當(dāng)?shù)诙嚯妷涸O(shè)定值等于第一同相電壓設(shè)定值時(shí)的正交電流和當(dāng)?shù)?二同相電壓設(shè)定值等于第一同相電壓設(shè)定值加上預(yù)定周期信號(hào)時(shí)的正交電流之間的差確 定耦合項(xiàng)的模塊；
[0038] ?用于根據(jù)所述耦合項(xiàng)確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的模塊；和
[0039] ?用于通過對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分確定轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置的模塊。
[0040] 根據(jù)所述耦合項(xiàng)確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的步驟可以包括使用用于取消耦合項(xiàng)的校正器。
[0041] 優(yōu)選地，預(yù)定周期信號(hào)是脈沖信號(hào)。
[0042] 在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)定子電壓設(shè)定值控制所述同步電機(jī)的步驟包括：將所述定 子電壓設(shè)定值傳送到具有預(yù)定周期的脈寬調(diào)制變換器；所述第二同相電壓設(shè)定值每15至 25個(gè)周期等于第一同相電壓設(shè)定值加上預(yù)定周期信號(hào)一次，每次持續(xù)就一至三個(gè)脈寬調(diào)制 周期。
[0043] 轉(zhuǎn)子可以是凸極轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子還可以是平滑轉(zhuǎn)子，所述方法包括使得面向轉(zhuǎn)子磁極 的定子齒飽和。
[0044] 本發(fā)明還設(shè)置了一種控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的控制單元、轉(zhuǎn)換 器和同步電機(jī)。
[0045] 本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括用于當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述程 序時(shí)實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的控制方法的步驟的指令。
[0046] 程序可以使用任何程序語言并且是源代碼、目標(biāo)代碼或者源代碼和目標(biāo)代碼之間 的中間代碼（諸如部分編譯形式）的形式或者任何其它理想形式。
[0047] 本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)介質(zhì)或者記錄介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)介質(zhì) 或者記錄介質(zhì)包括如上所述的計(jì)算機(jī)程序的指令。
[0048] 上述數(shù)據(jù)介質(zhì)可以是能夠存儲(chǔ)程序的任意一種實(shí)體或者裝置。例如，介質(zhì)可以包 括存儲(chǔ)裝置，諸如只讀存儲(chǔ)器（ROM)，例如光盤（CD) ROM或者微電子電路ROM或者磁記錄介 質(zhì)，例如，軟盤或者硬盤。
[0049] 此外，記錄介質(zhì)可以對(duì)應(yīng)于諸如電信號(hào)或者光信號(hào)的傳輸介質(zhì)，所述電信號(hào)或者 光信號(hào)適于經(jīng)由電纜或者光纜或者無線電或者其它裝置傳送。本發(fā)明的程序可以特別地從 因特網(wǎng)下載。
[0050] 替代地，記錄介質(zhì)可以對(duì)應(yīng)于集成電路，在所述集成電路中，包含有程序，所述電 路適于執(zhí)行討論中的方法或者在執(zhí)行討論中的方法中使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051] 從參照附圖（示出沒有限制特征的實(shí)施例）的以下描述中，本發(fā)明的其它特征和 優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見。在所述附圖中：
[0052] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例中的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖；
[0053] 圖2示出了與圖1的系統(tǒng)中的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的真實(shí)和估計(jì)位置有關(guān)的參考系； 和
[0054] 圖3是圖1的控制系統(tǒng)的方塊圖，其中，由功能模塊代表控制單元的操作。

【具體實(shí)施方式】
[0055] 圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例中的用于永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)。圖1系統(tǒng)包括控 制單元1、脈寬調(diào)制變換器2、永磁同步電機(jī)3。
[0056] 同步電機(jī)3包括承載永磁鐵的轉(zhuǎn)子和具有三相繞組的定子。定子的三相電壓給出 為Vabc，定子的三相電流給出為Iabc。同步電機(jī)3的特征在于不同的尺寸，特別在于定子動(dòng) 態(tài)電感。同步電機(jī)3是這樣的電機(jī)：在所述電機(jī)中，定子的動(dòng)態(tài)電感取決于轉(zhuǎn)子的位置。因 此，其可以是具有凸極轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)；但是其還可以是具有平滑轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)，其中， 面向轉(zhuǎn)子磁鐵的定子齒略微飽和，或者通過對(duì)沿著估計(jì)的同相軸線的定子電流施加足夠高 的正值而使得所述定子齒略微飽和。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知這種電機(jī)結(jié)構(gòu)，因此在此將不再 詳細(xì)描述這種電機(jī)結(jié)構(gòu)。
[0057] 變換器2根據(jù)由控制單元1提供的電壓設(shè)定值Vabc*通過脈寬調(diào)制從電源電壓 (未示出）對(duì)同步電機(jī)3傳送三相電壓Vabc。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知這種變換器2的操作， 因而在此將不再詳細(xì)描述。
[0058] 控制單元1確定用于傳送到變換器2的三相電壓設(shè)定值Vabc*，以控制同步電機(jī) 3。為此，如下文解釋的那樣，控制單元1基于作為轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)的定子動(dòng)態(tài)電感的變化 估計(jì)同步電機(jī)3的轉(zhuǎn)子位置。
[0059] 在示出的實(shí)施例中，控制單元1表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，包括處理器4、非易失 性存儲(chǔ)器（non-volatile memory) 5、易失存儲(chǔ)器6、和輸入/輸出界面7。處理器4用于在 使用易失存儲(chǔ)器6的同時(shí)執(zhí)行存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器5中的計(jì)算機(jī)程序。通過執(zhí)行這種程 序來實(shí)現(xiàn)如下所述對(duì)控制單元1的操作。輸入/輸出界面7特別用于獲得同步電機(jī)3的電 流Iabc的測(cè)量結(jié)果并且將電壓設(shè)定值Vabc*傳送到變換器2。
[0060] 在變型方案中，控制單元1是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP)的數(shù)字控制單元，或者是微控 制器，或者是現(xiàn)場(chǎng)可編程門列（FPGA)類型的卡。
[0061] 參照?qǐng)D2,以下解釋控制單元1估計(jì)同步電機(jī)3的轉(zhuǎn)子位置的原理。
[0062] 已知，能夠由與同步電機(jī)3的轉(zhuǎn)子相關(guān)的參考系d、q中的同相電壓Vd和正交電 壓V,來表示電壓Vabc。同樣，能夠由參考系d、q中的同相電流i d和正交電流i,表示電流 Iabc。圖2示出了參考系d、q和表示轉(zhuǎn)子相對(duì)于基準(zhǔn)軸線α的位置的角度Θ。
[0063] 考慮具有凸極的電動(dòng)機(jī)，對(duì)于具有凸極的電動(dòng)機(jī)，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置Θ并忽視 高次諧波，以以下形式給出相位的自身電感的變化：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于控制具有定子和轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)（3)的控制方法，所述方法包括： ?確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（&)的步驟； ?根據(jù)定子電流（Iabc)和所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（&)確定同相電流（is)和正交電流 (iY)的步驟；和 ?根據(jù)所述同相電流（ij、所述正交電流（iY)、同相電流設(shè)定值（is*)和正交電流設(shè) 定值（iY*)確定第一同相電壓設(shè)定值（vSl*)和正交電壓設(shè)定值（νγ1*)的步驟； 所述方法的特征在于，其包括： ?確定第二同相電壓設(shè)置值（νδ 2*)的步驟，所述第二同相電壓設(shè)置值交替地等于所 述第一同相電壓設(shè)定值（v S 1*)或者所述第一同相電壓設(shè)定值（v δ 1*)加上預(yù)定周期信號(hào) (G)； ?根據(jù)所述第二同相電壓設(shè)定值（vS2*)、所述正交電壓設(shè)定值（νγ*)和所述轉(zhuǎn)子的估 計(jì)位置（91)確定定子電壓設(shè)定值（Vabc*);和 ?根據(jù)所述定子電壓設(shè)定值（Vabc*)控制所述同步電機(jī)（3)的步驟； 其中，所述確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（任）的步驟包括： ?根據(jù)當(dāng)所述第二同相電壓設(shè)定值（vS2*)等于所述第一同相電壓設(shè)定值（vSl*)時(shí)的 所述正交電流（iY)和當(dāng)所述第二同相電壓設(shè)置值（vS2*)等于所述第一同相電壓設(shè)定值 (v Sl*)加上所述預(yù)定周期信號(hào)（G)時(shí)的所述正交電流（iY)之間的差確定耦合項(xiàng)（AiY)的 步驟； ?根據(jù)所述耦合項(xiàng)（Λ iY)確定所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（Qs)的步驟；和 ?通過對(duì)所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（Ω8)進(jìn)行積分來確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（分）的步驟。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其中，根據(jù)所述耦合項(xiàng)確定所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（Ω3) 的步驟包括使用校正器，用于取消所述耦合項(xiàng)（ΛΙ)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求2所述的控制方法，其中，所述預(yù)定周期信號(hào)（G)是脈 沖信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的控制方法，其中，所述根據(jù)所述定子電壓設(shè) 定值（Vabc*)控制所述同步電機(jī)的步驟包括將所述定子電壓設(shè)定值（Vabc*)傳送至脈寬調(diào) 制變換器（2)，所述脈寬調(diào)制變換器具有預(yù)定周期，所述第二同相電壓設(shè)定值（v S2*)每15 至25個(gè)周期等于所述第一電壓設(shè)定值（vSl*)加上所述預(yù)定周期信號(hào)（G) -次，每次持續(xù) 一至三個(gè)脈寬調(diào)制周期。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任意一項(xiàng)所述的控制方法，其中，所述轉(zhuǎn)子是凸極轉(zhuǎn)子。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任意一項(xiàng)所述的控制方法，其中，所述轉(zhuǎn)子是平滑轉(zhuǎn)子，所 述方法包括使得面向所述轉(zhuǎn)子極的定子齒飽和的步驟。
7. -種計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括當(dāng)由計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述程序時(shí)用于實(shí)施根據(jù)權(quán) 利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的控制方法的指令。
8. -種計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)介質(zhì)，其包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的計(jì)算機(jī)程序。
9. 用于控制具有定子和轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)（3)的控制單元（1)，所述控制單元（1) 包括： ?用于確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（分）的裝置； ?用于根據(jù)定子電流（Iabc)和所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（分）確定同相電流（is)和正交 電流（iY)的模塊（14);和 ?用于根據(jù)所述同相電流（ij、所述正交電流（iY)、同相電流設(shè)定值（is*)和正交電 流設(shè)定值（iY*)確定第一同相電壓設(shè)定值（vSl*)和正交電壓設(shè)定值（νγ1*)的模塊（10); 所述控制單元的特征在于，其包括： ?用于確定第二同相電壓設(shè)定值（vS2*)的模塊（12)，所述第二同相電壓設(shè)定值（vS2*) 交替地等于所述第一同相電壓設(shè)定值（vSl*)或者所述第一同相電壓設(shè)定值（vSl*)加上預(yù) 定周期信號(hào)（G); ?用于根據(jù)所述第二同相電壓設(shè)定值（vS2*)、所述正交電壓設(shè)定值（νγ*)和所述轉(zhuǎn)子 的估計(jì)位置（91)確定定子電壓設(shè)定值（Vabc*)的模塊（13);和 ?用于根據(jù)所述定子電壓設(shè)定值（Vabc*)控制所述同步電機(jī)（3)的控制裝置（7); 其中，所述用于確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（& )的裝置包括： ?根據(jù)當(dāng)所述第二同相電壓設(shè)定值（vS2*)等于所述第一同相電壓設(shè)定值（vSl*)時(shí)的 所述正交電流（iY)和當(dāng)所述第二同相電壓設(shè)定值（vS2*)等于所述第一同相電壓設(shè)定值 (v Sl*)加上所述預(yù)定周期信號(hào)（G)時(shí)的所述正交電流（iY)之間的差確定耦合項(xiàng)（AiY)的 模塊（15); ?根據(jù)所述耦合項(xiàng)（Μγ)確定所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（Ω3)的模塊（16);和 ?通過對(duì)所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（Ω8)進(jìn)行積分來確定所述轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置（分）的模塊 (17)。
10.控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制單元（1)、變換器⑵和 同步電機(jī)（3)。
【文檔編號(hào)】H02P21/14GK104094517SQ201380007468
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月31日
【發(fā)明者】薩米·扎姆, 法里德·麥博迪-塔巴, 巴巴克·納赫迪-摩巴肯, 里格斯·伯納德·阿爾伯特·莫里特 申請(qǐng)人:伊斯帕諾-絮扎, 洛林大學(xué)