軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機(jī)控制策略研究

劉愛民　婁家川　孫鵬

摘要：針對傳統(tǒng)永磁直流電機(jī)中永磁體在高溫高壓下可能退磁并且不能調(diào)磁的問題，設(shè)計(jì)一種軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機(jī)，并依據(jù)雙凸極電機(jī)的運(yùn)行原理，基于該電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和電感模型，在標(biāo)準(zhǔn)角度導(dǎo)通方式的基礎(chǔ)上提出一種三相六狀態(tài)角度導(dǎo)通方式。通過搭建雙組功率逆變模塊，利用中央輔助勵(lì)磁線圈可增磁弱磁的原理，提出勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)矩直接控制策略，通過控制換相時(shí)刻勵(lì)磁電流的大小以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的自適應(yīng)調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)矩的控制。最終經(jīng)過場-路耦合分析和實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證控制方法的可行性和有效性，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：線圈輔助磁阻；三相六狀態(tài)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；勵(lì)磁線圈；勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)矩直接控制

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號(hào)：TM 331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

雙凸極電機(jī)是基于開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展而來并在近些年應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大的新結(jié)構(gòu)電機(jī)。在過去二十多年國內(nèi)外的發(fā)展中主要形成了3種形式的雙凸極電機(jī)，即永磁雙凸極電機(jī)、電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)和混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)。

永磁雙凸極電機(jī)中附有永磁體，但是永磁體在高溫和高壓環(huán)境條件下存在退磁的現(xiàn)象，并且該電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)調(diào)磁。而電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)可以有效地解決調(diào)磁問題，近些年來，國內(nèi)南京航空航天大學(xué)等多個(gè)單位設(shè)計(jì)了許多新型的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，并對其控制方法進(jìn)行了深入的研究，在三維非線性電感模型[1]的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的三相整流換相過程[2]，也提出了一些減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并提高電機(jī)性能的優(yōu)化算法[3-5]。近年來，相比于采用先進(jìn)算法，改善和優(yōu)化雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)并采用全新的角度導(dǎo)通方式成為了新的研究方向。借鑒于傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式[6-8]，戴衛(wèi)力等人[9]在標(biāo)準(zhǔn)角度控制的基礎(chǔ)上提出了一種提前角度控制策略，增加了兩相之間的換相重疊角，而劉星等人[10]在對三相三拍控制的研究基礎(chǔ)上，提出了一種三相六拍控制策略。劉偉峰和王寅等人[11-12]隨后又提出一種三相九狀態(tài)控制策略，通過變換導(dǎo)通角和關(guān)斷角提高了平均輸出轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也有效抑制了齒槽轉(zhuǎn)矩帶來的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是其對位置檢測的精度要求更高。趙星[13]則通過一種反向串聯(lián)的連接方式，保證了磁路的對稱性，提高了軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機(jī)（axial coil assisted reluctance doubly salient motor，CARDSM）轉(zhuǎn)矩性能。

本文提出一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機(jī)，將從其特殊的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理出發(fā)，擬對CARDSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對其控制策略等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題進(jìn)行深入研究，形成該類電機(jī)及其控制系統(tǒng)的完整理論體系和分析設(shè)計(jì)方法。再通過其特殊的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分析及其運(yùn)行時(shí)的工作原理，考慮其中的電流換相過程及不同的負(fù)載特性。針對CARDSM輸出轉(zhuǎn)矩大的特性，在標(biāo)準(zhǔn)角度控制的基礎(chǔ)上提出一種三相六狀態(tài)運(yùn)行方式，分析說明三相六狀態(tài)運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的提高和優(yōu)化，在這兩種控制方式的基礎(chǔ)上增加了中央輔助勵(lì)磁線圈（簡稱勵(lì)磁線圈）繞組電流轉(zhuǎn)矩直接控制策略，通過轉(zhuǎn)矩的反饋控制勵(lì)磁線圈電流可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，增大了調(diào)速范圍并提高了電機(jī)的穩(wěn)定性，最后經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)分別對比分析兩種控制方式和輔助勵(lì)磁線圈對CARDSM的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化的影響，同時(shí)驗(yàn)證了新的控制方式對電機(jī)運(yùn)行效果的提高。

1CARDSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

1.1電機(jī)結(jié)構(gòu)

CARDSM為三相9/6式結(jié)構(gòu)，電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)不同的是，CARDSM采用雙繞組軸向勵(lì)磁原理，其中繞組由定子側(cè)電樞繞組和勵(lì)磁線圈兩部分組成，電樞繞組產(chǎn)生使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的主磁場，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生輔助磁場。圖1中電機(jī)在給電樞繞組通電的情況下磁場通過導(dǎo)磁軸、雙組定轉(zhuǎn)子和機(jī)殼構(gòu)成閉合回路，而給勵(lì)磁繞組通電同樣可以形成同上的軸向勵(lì)磁磁路，在磁路不飽和的情況下對于電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有很大的調(diào)節(jié)作用。勵(lì)磁線圈的作用可以類比于一永磁體，增加CARDSM的磁通量，但是與永磁體不同的是，通過控制勵(lì)磁線圈電流的大小和方向可以明顯擴(kuò)寬電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。而且由于雙凸極電機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題，采用勵(lì)磁線圈電流控制策略還可以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以獲得更平滑的電磁轉(zhuǎn)矩和帶載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，對拓寬其應(yīng)用范圍有較大意義。

1.2數(shù)學(xué)模型

類比于其它雙凸極電機(jī)，CARDSM的電壓方程為

up=Rpip+d（ψpr+ψpe）dt。（1）

式中：up為相電壓；Rp為相電阻；ip為相電流；ψpr為每相磁鏈；ψpe為勵(lì)磁磁鏈。

電機(jī)的磁共能為

Wco（θ，i）=∫i0ψ（θ，i）di|θ=const.。（2）

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

T（θ，i）=Wco（θ，i）θi=const.。（3）

CARDSM的輸出轉(zhuǎn)矩主要是雙組定轉(zhuǎn)子電樞繞組產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，輔助線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為輔助轉(zhuǎn)矩，在高度耦合的情況下，由基本轉(zhuǎn)矩表達(dá)式簡化得到轉(zhuǎn)矩方程為

Tp=Tpr+Tpe=12i2pdLpdθ±ipifdLpfdθ。（4）

式中：Tp為合成轉(zhuǎn)矩；Tpr為磁阻轉(zhuǎn)矩；Tpe為電樞繞組和勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的互感轉(zhuǎn)矩；if為勵(lì)磁電流；Lp為相自感；Lpf為互感[14]。由于可通入的勵(lì)磁電流的方向不同，因此互感轉(zhuǎn)矩亦存在正負(fù)。

低壓起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的互感轉(zhuǎn)矩占比較大故仍需計(jì)算，在高電壓起動(dòng)和運(yùn)行情況下磁阻轉(zhuǎn)矩很大，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩相對較小可忽略。其相繞組自感三維曲面如圖2所示，在雙繞組同時(shí)通電情況下電機(jī)電感非線性度比傳統(tǒng)磁阻電機(jī)更加復(fù)雜。

2CARDSM控制策略

2.1三相六狀態(tài)控制機(jī)理

基于CARDSM的特殊結(jié)構(gòu)以及非線性強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)采用雙組功率逆變模塊如圖3所示，電樞繞組采用半橋不對稱電路控制三相電流，勵(lì)磁線圈采用全橋電路，為了降低控制系統(tǒng)成本，雙組逆變模塊采用一個(gè)供電電源。在不同電壓等級(jí)下，使得氣隙磁通達(dá)到飽和時(shí)的勵(lì)磁電流也不同，例如在相電壓100 V的情況下，勵(lì)磁電流達(dá)到8 A時(shí)氣隙磁通達(dá)到飽和，因此電樞繞組側(cè)電壓、電流會(huì)比勵(lì)磁線圈側(cè)高出很多，在兩組電路之間采用分壓電阻降低勵(lì)磁線圈側(cè)電壓和電流。圖3中通過控制V7、V10或者V8、V9的同時(shí)導(dǎo)通控制勵(lì)磁電流的方向，電流的大小可通過電流斬波和電壓斬波控制調(diào)節(jié)。

為得到更大轉(zhuǎn)矩，每一相繞組導(dǎo)通時(shí)間更長，在電感下降區(qū)不產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以定子齒中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線對齊的位置為0°，在線性條件下，關(guān)斷角計(jì)算公式為

θoff=122πNr-βr+θu。（5）

其中：Nr是轉(zhuǎn)子極數(shù)；βr是轉(zhuǎn)子極弧；θu是最小電感位置。若取Nr=6，βr=30°，θu=θon=0°，得到的θoff=15°，但是定、轉(zhuǎn)子極弧皆為30°，開通角應(yīng)滯后一定角度，否則若給最近相通電，電機(jī)將不能實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。若設(shè)置開通角θon=2°，θoff相應(yīng)的應(yīng)改為16°，每一相的導(dǎo)通角則為14°，在換相時(shí)存在較大的換相間隔，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也會(huì)有較大波動(dòng)。電流隨電感的變化曲線如圖4所示，與雙凸極電機(jī)不同的是，由于導(dǎo)通角滯后電感的最小值，因此電流在峰值時(shí)比較平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生過大的沖擊電流。

電機(jī)起動(dòng)時(shí)，規(guī)定旋轉(zhuǎn)方向后，按表2導(dǎo)通規(guī)律，在A相定轉(zhuǎn)子重合2°的位置，C相定轉(zhuǎn)子重合22°，因此在2°到6°之間讓A、C兩相同時(shí)導(dǎo)通，在C相導(dǎo)通4°之后斷電，不會(huì)在電感下降區(qū)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖5分別給出CARDSM在正反轉(zhuǎn)情況下2種控制方式對比圖，圖中PA、PB、PC分別是三相定子位置，La、Lb、Lc為三相對應(yīng)的電感。

為盡量減小制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，每一相導(dǎo)通角會(huì)有略微減小，如在A相導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通角會(huì)減小2°，這樣在B相剛導(dǎo)通時(shí)A相電流降為0，當(dāng)A相定轉(zhuǎn)子重合22°時(shí)再給A相通電，再轉(zhuǎn)過4°后斷電，以此類推在C相導(dǎo)通時(shí)也會(huì)如此，從而形成一種三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式，縮短換相間隔時(shí)間，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在200 V電壓下三相六狀態(tài)控制方式與標(biāo)準(zhǔn)角度控制方式形成的轉(zhuǎn)矩對比圖如圖6所示，可以看出在三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式下整體轉(zhuǎn)矩明顯提升，特別是最低轉(zhuǎn)矩有大幅提高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到很大抑制。當(dāng)電機(jī)達(dá)到高速采用角度位置控制時(shí)，三相六狀態(tài)控制策略會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求進(jìn)行角度變化，以實(shí)現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2.2CARDSM勵(lì)磁電流控制策略

由磁阻最小原理可知，輔助勵(lì)磁線圈的加入可為CARDSM提供很大磁共能，和傳統(tǒng)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)勵(lì)磁繞組作用相似，為電機(jī)提供額外電能。因此，為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提高轉(zhuǎn)速，提出基于勵(lì)磁電流的電流轉(zhuǎn)矩直接控制策略，通過控制勵(lì)磁電流提高電機(jī)穩(wěn)定性。

通常勵(lì)磁電流大小會(huì)是固定值，當(dāng)通入不同大小勵(lì)磁電流，考慮到自感和互感受電流大小影響，其值會(huì)有不同程度變化，如圖7所示，在動(dòng)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)角度導(dǎo)通模式下，當(dāng)分別通入1 A、3 A和5 A勵(lì)磁電流時(shí)相繞組自感最大值會(huì)逐漸下降而最小值會(huì)基本保持不變。相比于自感變化，相繞組和勵(lì)磁線圈之間產(chǎn)生的互感變化則更明顯。如圖8所示，勵(lì)磁電流同樣分別通入1 A、3 A和5 A，互感最大值和最小值都有大幅度下降，斜率的絕對值明顯減小，并且隨著勵(lì)磁電流增大，自感和互感波形呈現(xiàn)超前趨勢。在加入恒定勵(lì)磁電流之后，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生恒定軸向勵(lì)磁磁通，彌補(bǔ)漏磁，在換相時(shí)刻氣隙磁通量更大，磁力線更加密集，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都會(huì)進(jìn)一步提高。

雖然三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式減小一定轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但換相過程中仍存在導(dǎo)通死區(qū)，即存在斷相時(shí)刻，且在標(biāo)準(zhǔn)角度控制方式和三相六狀態(tài)控制方式下通入產(chǎn)生與主磁場方向相同磁場的恒定勵(lì)磁電流只是增加磁通量，彌補(bǔ)一定漏磁，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仍然較大，為此采用勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)矩直接控制策略，在給定轉(zhuǎn)矩后由式（4）計(jì)算實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。當(dāng)沒有相導(dǎo)通時(shí)隨著轉(zhuǎn)矩降低，增大勵(lì)磁電流，增加磁能，而在有相導(dǎo)通時(shí)減小勵(lì)磁電流，以此形成轉(zhuǎn)矩如圖9、圖10所示。從圖中可看出在標(biāo)準(zhǔn)角度控制模式下采用勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)矩控制策略，轉(zhuǎn)矩最低值提高了0.3 N·m，而在三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式下最低轉(zhuǎn)矩值同樣提升了0.3 N·m左右，前者的最值之差為0.7 N·m，后者的最值之差為0.4 N·m，在三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式下采用勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)矩控制策略的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小。雖然轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不能完全消除，但已有明顯改善。

3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

該系統(tǒng)的測試平臺(tái)如圖11所示。系統(tǒng)控制器以TMS320F28335DSP為核心，其3個(gè)ECAP口分別檢測PA、PB和PC三相位置信號(hào)，換相信號(hào)由PWM1～PWM6輸出口輸出。A/D模塊分別采樣電樞繞組電壓和勵(lì)磁電流，不僅實(shí)現(xiàn)信號(hào)反饋還提供過壓過流保護(hù)。EQEP口檢測編碼器邊沿信號(hào)沿以便計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。為精確計(jì)算和控制IGBT導(dǎo)通角度，系統(tǒng)采用鎖相分頻電路將位置信號(hào)進(jìn)行多倍分頻后送至DSP。軟件采用多重控制模式，根據(jù)不同時(shí)刻不同要求實(shí)現(xiàn)分段控制，在起動(dòng)時(shí)可施加較小的電流斬波或電壓斬波控制，以防止過高的起動(dòng)電流對電路造成損壞。

4結(jié)論

本文研究了CARDSM及相應(yīng)的控制策略，通過對CARDSM的詳細(xì)分析、仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1）運(yùn)用三維有限元方法對CARDSM的電磁特性進(jìn)行分析，并通過對其運(yùn)動(dòng)原理的分析，在標(biāo)準(zhǔn)角度控制方式的基礎(chǔ)上提出了三相六狀態(tài)控制策略，有效地增加了電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；

2）通過對勵(lì)磁線圈的控制，在不同的轉(zhuǎn)速要求下可采用不同的電樞電壓-勵(lì)磁電流匹配方案。例如，在100 V電壓下若想達(dá)到120 V時(shí)的轉(zhuǎn)速可增大勵(lì)磁電流而并非增加電樞電壓。減小母線側(cè)的電樞電壓同時(shí)增大勵(lì)磁電流可達(dá)到同等的轉(zhuǎn)速要求，因此可以節(jié)約電能。采用勵(lì)磁電流-轉(zhuǎn)矩直接控制策略使CARDSM轉(zhuǎn)速更加平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，調(diào)速范圍加大。最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；

3）雙組逆變模塊的加入雖然提高了控制精度，但增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，應(yīng)用時(shí)還需根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行衡量。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：邱赫男）