专利名称：永磁同步电机(pmsm)的控制装置的制作方法
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0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
V K d 'WaVb =R +Jt ^
L'」U」La—式中，va, vb, vc是定子相位的电压，R是定子相位的电阻，ia，ib，i。是定子相位的电流，而Va，￥b, V。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0q。直轴Od构成了相对于与定子相关的静轴0 a的角度e。更具体地说，角度0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
jvd = Rid + L—— pQLi + ed
atq
diVq=Riq +L-^--pQLid+eq式中，vd, Vq和id，是直交和正交电压和电流分量，L是定子感应，Q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ed，eq是参照系d-q内电动势的分量，由如下关系确定
ed = 0eq = p Q ￥f式中，Vf是流过直流等效电路的磁铁的通量。假定转子位置0和角速度Q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5-Y是确定的，其位置《9和速度\已知。估算参照系S-Y的轴OS构成了相对于静轴Oa的角度《9和相对轴Od的角度P。角度炉表示轴OS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Q。，这样，《9和e之间位置炉的差就可以相互抵消。估算参照系S-Y中永磁同步电机的电方程可以写成如下形式
￠//vs = Ris + L - pQ,cLiy +es
… divVy = Riy + L —— pClcLis + ey式中，vs，vY和is，iY是参照系中的电压和电流分量，Q。是参照系中的角速度，而es，eY是由如下关系确定的参照系5-Y中电动势分量
es = pif/f€lsin<p
ey = pQ. ifrf cos cp通常，为了控制无传感器永磁同步电机，电动势的分量es，e￥是在旋转估算参照系5-Y中估算的。如果后者和转子相关的参照系d-q—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5-Y位置《9和速度Q。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5-y中的角速度Q。和定子电压分量vs，vY，确保炉持续保持为零，以及在由参考扭矩r ref确定的参照点i SMf，iYref处的电流分量i s，i Y。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S-Y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)r ref的值转换为参照系5 - Y中相应参考电流iSMf，iYMf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P始终保持为零=0 )。该控制规律根据反向电流测量所获得的电流分量i s，i Y确定了角速度Q。和参照系中的定子电压分量VS，Vy，以及参照电流iSMf，iYr6f。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0ffl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5-Y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e ffl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9 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g。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S-Y内，估算电动势"emf"的分量4，4，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is，iY，对应于逆变器参考电压的定子电压分量vs，Vy，以及转子的旋转速度Q。。-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匕，孓，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Q。，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Q。来计算转子位置所述估算值6。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Y相关的电动势估算分量&和预定物理参数Kf，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
权利要求
1.一种控制永磁同步电机"PMSM" (3)的装置(I)，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em，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5-y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0m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0m，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I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S-Y中电动势的分量I，&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 s，i Y，对应于逆变器参考电压的定子电压分量V s，V Y，和转子的转速Q。； 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&，孓，以及使用非线性修正器，根据控制定律确定转速Q。，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Q。，计算转子位置的所述估算值4。
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Y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Kf，按照如下公式确定转速的已有估算值6
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￠1)用来在所测转子位置估算转子位置^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￠1)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S。
7.—种永磁同步电机，其包括根据权利要求I到6任一项所述的控制装置(I)。
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em，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5-y中转子位置的估算值g， 使所述估算转子位置^与所述测量转子位置em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，根据所测转子位置匕，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S-Y中的电动势分量I，&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is，iY，对应于逆变器参照电压的定子电压分量vs，Vy，和转子的转速Q。， 根据电动势的所述估算分量4，&并按控制定律使用非线性修正器来估算转速Q。，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Q。，计算所述的估算转子位置g。
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Y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Kf，按照如下公式，确定转速已有估算值Q
12.—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。
全文摘要
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θm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
文档编号H02P21/14GK102783012SQ201080056106
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月10日 优先权日2009年12月11日
发明者吉约姆·勒琼, 塞巴斯蒂安·维拉德 申请人:伊斯帕诺-絮扎公司