軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機控制策略研究

劉愛民　婁家川　孫鵬

摘要：針對傳統永磁直流電機中永磁體在高溫高壓下可能退磁并且不能調磁的問題，設計一種軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機，并依據雙凸極電機的運行原理，基于該電機的特殊結構和電感模型，在標準角度導通方式的基礎上提出一種三相六狀態角度導通方式。通過搭建雙組功率逆變模塊，利用中央輔助勵磁線圈可增磁弱磁的原理，提出勵磁電流轉矩直接控制策略，通過控制換相時刻勵磁電流的大小以實現勵磁電流的自適應調節進而實現對輸出轉矩的控制。最終經過場-路耦合分析和實驗分別驗證控制方法的可行性和有效性，使電機運行更加平穩。

關鍵詞：線圈輔助磁阻；三相六狀態；轉矩脈動；勵磁線圈；勵磁電流轉矩直接控制

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號：TM 331

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

雙凸極電機是基于開關磁阻電機發展而來并在近些年應用范圍逐漸擴大的新結構電機。在過去二十多年國內外的發展中主要形成了3種形式的雙凸極電機，即永磁雙凸極電機、電勵磁雙凸極電機和混合勵磁雙凸極電機。

永磁雙凸極電機中附有永磁體，但是永磁體在高溫和高壓環境條件下存在退磁的現象，并且該電機不能實現調磁。而電勵磁雙凸極電機可以有效地解決調磁問題，近些年來，國內南京航空航天大學等多個單位設計了許多新型的電勵磁雙凸極電機，并對其控制方法進行了深入的研究，在三維非線性電感模型[1]的基礎上，詳細分析了電勵磁雙凸極電機的三相整流換相過程[2]，也提出了一些減小轉矩脈動并提高電機性能的優化算法[3-5]。近年來，相比于采用先進算法，改善和優化雙凸極電機的結構并采用全新的角度導通方式成為了新的研究方向。借鑒于傳統開關磁阻電機的控制方式[6-8]，戴衛力等人[9]在標準角度控制的基礎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控制策略，通過變換導通角和關斷角提高了平均輸出轉矩的同時也有效抑制了齒槽轉矩帶來的轉矩脈動，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（axial coil assisted reluctance doubly salient motor，CARDSM）轉矩性能。

本文提出一種新型拓撲結構的軸向線圈輔助磁阻型雙凸極電機，將從其特殊的機電能量轉換機理出發，擬對CARDSM拓撲結構進行分析，并對其控制策略等關鍵基礎問題進行深入研究，形成該類電機及其控制系統的完整理論體系和分析設計方法。再通過其特殊的定轉子結構分析及其運行時的工作原理，考慮其中的電流換相過程及不同的負載特性。針對CARDSM輸出轉矩大的特性，在標準角度控制的基礎上提出一種三相六狀態運行方式，分析說明三相六狀態運行方式實現了對轉速和轉矩的提高和優化，在這兩種控制方式的基礎上增加了中央輔助勵磁線圈（簡稱勵磁線圈）繞組電流轉矩直接控制策略，通過轉矩的反饋控制勵磁線圈電流可以實現電機轉速和轉矩的快速調節，減小了轉矩脈動，增大了調速范圍并提高了電機的穩定性，最后經過仿真和實驗分別對比分析兩種控制方式和輔助勵磁線圈對CARDSM的轉速和轉矩變化的影響，同時驗證了新的控制方式對電機運行效果的提高。

1CARDSM拓撲結構及工作機理

1.1電機結構

CARDSM為三相9/6式結構，電機結構示意圖如圖1所示。與傳統開關磁阻電機不同的是，CARDSM采用雙繞組軸向勵磁原理，其中繞組由定子側電樞繞組和勵磁線圈兩部分組成，電樞繞組產生使電機實現正反轉的主磁場，勵磁線圈產生輔助磁場。圖1中電機在給電樞繞組通電的情況下磁場通過導磁軸、雙組定轉子和機殼構成閉合回路，而給勵磁繞組通電同樣可以形成同上的軸向勵磁磁路，在磁路不飽和的情況下對于電機轉速和轉矩有很大的調節作用。勵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，通過控制勵磁線圈電流的大小和方向可以明顯擴寬電機的轉速范圍。而且由于雙凸極電機在電動運行時存在轉矩脈動大的問題，采用勵磁線圈電流控制策略還可以降低轉矩脈動以獲得更平滑的電磁轉矩和帶載時的電機轉速，對拓寬其應用范圍有較大意義。

1.2數學模型

類比于其它雙凸極電機，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為勵磁磁鏈。

電機的磁共能為

Wco（θ，i）=∫i0ψ（θ，i）di|θ=const.。（2）

電機的轉矩為

T（θ，i）=Wco（θ，i）θi=const.。（3）

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

Tp=Tpr+Tpe=12i2pdLpdθ±ipifdLpfdθ。（4）

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

低壓起動和運行時，勵磁電流產生的互感轉矩占比較大故仍需計算，在高電壓起動和運行情況下磁阻轉矩很大，勵磁線圈產生轉矩相對較小可忽略。其相繞組自感三維曲面如圖2所示，在雙繞組同時通電情況下電機電感非線性度比傳統磁阻電機更加復雜。

2CARDSM控制策略

2.1三相六狀態控制機理

基于CARDSM的特殊結構以及非線性強耦合的特點，控制系統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，勵磁線圈采用全橋電路，為了降低控制系統成本，雙組逆變模塊采用一個供電電源。在不同電壓等級下，使得氣隙磁通達到飽和時的勵磁電流也不同，例如在相電壓100 V的情況下，勵磁電流達到8 A時氣隙磁通達到飽和，因此電樞繞組側電壓、電流會比勵磁線圈側高出很多，在兩組電路之間采用分壓電阻降低勵磁線圈側電壓和電流。圖3中通過控制V7、V10或者V8、V9的同時導通控制勵磁電流的方向，電流的大小可通過電流斬波和電壓斬波控制調節。

為得到更大轉矩，每一相繞組導通時間更長，在電感下降區不產生制動轉矩，以定子齒中心線與轉子槽中心線對齊的位置為0°，在線性條件下，關斷角計算公式為

θoff=122πNr-βr+θu。（5）

其中：Nr是轉子極數；βr是轉子極弧；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、轉子極弧皆為30°，開通角應滯后一定角度，否則若給最近相通電，電機將不能實現自啟動。若設置開通角θon=2°，θoff相應的應改為16°，每一相的導通角則為14°，在換相時存在較大的換相間隔，轉矩和轉速也會有較大波動。電流隨電感的變化曲線如圖4所示，與雙凸極電機不同的是，由于導通角滯后電感的最小值，因此電流在峰值時比較平穩，不會產生過大的沖擊電流。

電機起動時，規定旋轉方向后，按表2導通規律，在A相定轉子重合2°的位置，C相定轉子重合22°，因此在2°到6°之間讓A、C兩相同時導通，在C相導通4°之后斷電，不會在電感下降區產生制動轉矩，增大起動轉矩。

圖5分別給出CARDSM在正反轉情況下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為三相對應的電感。

為盡量減小制動轉矩，每一相導通角會有略微減小，如在A相導通時導通角會減小2°，這樣在B相剛導通時A相電流降為0，當A相定轉子重合22°時再給A相通電，再轉過4°后斷電，以此類推在C相導通時也會如此，從而形成一種三相六狀態導通方式，縮短換相間隔時間，減小轉矩脈動。在200 V電壓下三相六狀態控制方式與標準角度控制方式形成的轉矩對比圖如圖6所示，可以看出在三相六狀態導通方式下整體轉矩明顯提升，特別是最低轉矩有大幅提高，轉矩脈動得到很大抑制。當電機達到高速采用角度位置控制時，三相六狀態控制策略會根據轉速和轉矩的要求進行角度變化，以實現更好的轉矩閉環控制和轉速閉環控制。

2.2CARDSM勵磁電流控制策略

由磁阻最小原理可知，輔助勵磁線圈的加入可為CARDSM提供很大磁共能，和傳統電勵磁雙凸極電機勵磁繞組作用相似，為電機提供額外電能。因此，為減小轉矩脈動提高轉速，提出基于勵磁電流的電流轉矩直接控制策略，通過控制勵磁電流提高電機穩定性。

通常勵磁電流大小會是固定值，當通入不同大小勵磁電流，考慮到自感和互感受電流大小影響，其值會有不同程度變化，如圖7所示，在動態的標準角度導通模式下，當分別通入1 A、3 A和5 A勵磁電流時相繞組自感最大值會逐漸下降而最小值會基本保持不變。相比于自感變化，相繞組和勵磁線圈之間產生的互感變化則更明顯。如圖8所示，勵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，并且隨著勵磁電流增大，自感和互感波形呈現超前趨勢。在加入恒定勵磁電流之后，電機內部會產生恒定軸向勵磁磁通，彌補漏磁，在換相時刻氣隙磁通量更大，磁力線更加密集，電機轉速和轉矩都會進一步提高。

雖然三相六狀態導通方式減小一定轉矩脈動，但換相過程中仍存在導通死區，即存在斷相時刻，且在標準角度控制方式和三相六狀態控制方式下通入產生與主磁場方向相同磁場的恒定勵磁電流只是增加磁通量，彌補一定漏磁，轉矩脈動仍然較大，為此采用勵磁電流轉矩直接控制策略，在給定轉矩后由式（4）計算實時調節勵磁電流。當沒有相導通時隨著轉矩降低，增大勵磁電流，增加磁能，而在有相導通時減小勵磁電流，以此形成轉矩如圖9、圖10所示。從圖中可看出在標準角度控制模式下采用勵磁電流轉矩控制策略，轉矩最低值提高了0.3 N·m，而在三相六狀態導通方式下最低轉矩值同樣提升了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，在三相六狀態導通方式下采用勵磁電流轉矩控制策略的轉矩脈動更小。雖然轉矩波動不能完全消除，但已有明顯改善。

3系統實驗研究

該系統的測試平臺如圖11所示。系統控制器以TMS320F28335DSP為核心，其3個ECAP口分別檢測PA、PB和PC三相位置信號，換相信號由PWM1～PWM6輸出口輸出。A/D模塊分別采樣電樞繞組電壓和勵磁電流，不僅實現信號反饋還提供過壓過流保護。EQEP口檢測編碼器邊沿信號沿以便計算電機轉速。為精確計算和控制IGBT導通角度，系統采用鎖相分頻電路將位置信號進行多倍分頻后送至DSP。軟件采用多重控制模式，根據不同時刻不同要求實現分段控制，在起動時可施加較小的電流斬波或電壓斬波控制，以防止過高的起動電流對電路造成損壞。

4結論

本文研究了CARDSM及相應的控制策略，通過對CARDSM的詳細分析、仿真及樣機實驗數據得出以下結論：

1）運用三維有限元方法對CARDSM的電磁特性進行分析，并通過對其運動原理的分析，在標準角度控制方式的基礎上提出了三相六狀態控制策略，有效地增加了電機的起動轉矩，降低了轉矩脈動；

2）通過對勵磁線圈的控制，在不同的轉速要求下可采用不同的電樞電壓-勵磁電流匹配方案。例如，在100 V電壓下若想達到120 V時的轉速可增大勵磁電流而并非增加電樞電壓。減小母線側的電樞電壓同時增大勵磁電流可達到同等的轉速要求，因此可以節約電能。采用勵磁電流-轉矩直接控制策略使CARDSM轉速更加平穩，電機轉矩脈動減小，調速范圍加大。最后經過實驗測試驗證了本系統的穩定性和可靠性；

3）雙組逆變模塊的加入雖然提高了控制精度，但增加了控制系統的復雜性和成本，應用時還需根據實際要求進行衡量。

參 考 文 獻：

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（編輯：邱赫男）