電勵磁同極電機控制實驗研究

薛曉川，王志強，李樹勝

(1.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 航空系統(tǒng)研究所，北京 100094;2.北京航空航天大學，北京 100191)

0 引 言

近年來，高速電機及其控制技術發(fā)展迅速,正成為國際電工領域的研究熱點。其在節(jié)能型工業(yè)裝備中的應用逐年快速增長，特別是航空發(fā)電機、儲能飛輪、離心壓縮機等領域對高速電機的需求日益迫切，越來越受到工業(yè)界的青睞[1]。但它的發(fā)展仍然受到高速電機旋轉鐵耗大、轉子結構強度魯棒性差等關鍵技術難題的限制。

電勵磁式同極電機不同于傳統(tǒng)的永磁同步電機，主要體現在如下兩方面：轉子部分不含永磁體、護套及繞組，為整體的實心結構，轉子結構魯棒性強，能夠保證轉子在高轉速下可靠穩(wěn)定地運行；固定在定子部分的勵磁線圈沿轉子周向繞制，其勵磁磁場沿轉子周向無磁極交變而僅有幅值的變化，可以有效地減小旋轉鐵耗[2]。

本文介紹了一種電勵磁同極電機的機械結構設計過程，闡述了其基本工作原理。通過建立含有定子電感方程的三相電機模型，對其數學特性進行理論分析。制定了基于反電動勢過零點檢測法的無位置傳感器電機控制策略，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對控制系統(tǒng)進行仿真分析;對電勵磁同極電機系統(tǒng)進行了實驗驗證。結果表明系統(tǒng)具有較好的靜、動態(tài)特性，驗證了控制方法的合理性和可行性。

1 電機結構設計與機理分析

本文的電勵磁同極旋轉電機由定子部分、轉子部分及其它相關組件構成，轉子采用角接觸機械軸承支撐，保證其穩(wěn)定高速運轉。電機的整體裝配剖面圖如圖1(a)所示，為便于顯示其結構特征，轉子部分并未進行剖面顯示。樣機實物圖如圖1(b)所示。

(a) 電機裝配剖面圖

(b) 樣機整體實物圖

轉子部分為40CrNiMoA材料的實心轉子結構，其特征如下：端部凸、凹極均勻分布，且上下部分呈反對稱式結構[3]；任一端部凸、凹極各占45°，沿轉子圓周均勻分布。其結構示意圖如圖2所示。勵磁部分固定在電機定子上，在其中部沿轉子周向繞制。通入兩相直流電流，產生的磁勢從轉子一端經由DT4環(huán)、氣隙回到轉子另一端，形成閉合磁回路，使轉子上下端部磁極極性相反，磁路示意圖如圖3所示。勵磁磁場沿轉子周向無磁極極性交變，只有磁場強弱的變化。磁場強弱由勵磁線圈中電流大小和線圈匝數共同決定。

圖2 轉子結構示意圖

圖3 勵磁磁路示意圖

定子部分選取變頻圓銅線作為電樞繞組，沿轉子周向均勻固定在絕緣套筒上，其實物圖如圖4所示。通過從電樞繞組中注入三相電流，產生空間旋轉磁場，轉子凸極感受電磁力實現連續(xù)旋轉。電勵磁同極電機的結構與電氣參數如表1所示。電機定子剖面圖如圖5所示。

圖4 電樞繞組實物圖

圖5 電機定子剖面圖

整機參數轉子參數定子參數勵磁參數機殼材料6063-t5轉子材料40CrNiMoA電樞材料變頻線磁環(huán)材料DT4-E磁間隙g/mm4.0直徑dr/mm90繞組直徑ds/mm1.06磁導率μ/(H·m-1)≥0.011 3機殼體積V/mm3200×200×230長度lr/mm213額定電流is/A3.5線圈匝數Ne1 800總體質量m/kg19轉子質量mr/kg5.98定子匝數Ns15線圈電流Ie/A2

對電勵磁同極電機的工作原理作簡要分析。以電流流向A-C為例，如圖6(a)所示，上端轉子的磁極極性為N；A相繞組電流為順時針方向，電樞磁場方向為S極朝內，上端轉子凸極感受電磁力，帶動轉子順時針旋轉[4]。同理，下端轉子凸極受C相電流的電磁力方向如圖6(b)所示。通過控制三相繞組兩兩順序導通，實現轉子的順時針連續(xù)旋轉。

(a) 上端定、轉子示意圖

(b) 下端定、轉子示意圖

2 電機數學模型與控制策略

對于本文的電勵磁同極電機，由轉子形狀和氣隙磁場決定其反電動勢為梯形波。采用直軸、交軸坐標變換已不是一種有效方法，因此采用電機本身的相變量來建立同極電機的數學模型[5]。建立的定子三相坐標系如圖7所示。

圖7中，as，bs，cs為三相定子坐標軸，A-A′，B-B′，C-C′為三相定子繞組。ψe為勵磁磁鏈矢量，與坐標系平面呈α夾角；ψe0為ψe在坐標平面內的投影，與as軸呈θ夾角。設定轉子轉速ωr為逆時針方向，可以得到同極電機在定子三相坐標系下的定子電壓方程：

圖7 三相定子坐標系示意圖

(1)

對于實際系統(tǒng)而言，利用電機的線電壓進行計算是相對簡便的。假設磁路不飽和，且定子三相繞組完全對稱，則可得到：

(2)

將式(2)代入式(1)可得：

(3)

式中：UAB，UBC，UCA為定子三相繞組線電壓；ωr為轉子轉速；KEA，KEB，KEC為反電動勢系數，即單位轉速下的感應電動勢。

電機在A，B，C三相坐標系下的定子磁鏈方程：

(4)

外加勵磁磁場和定子電流相互作用產生的電磁轉矩方程和電機的運動方程如下：

Te=KEAiA+KEBiB+KECiC

(5)

(6)

3 控制系統(tǒng)仿真分析

目前，在大部分電機控制場合中，多使用電子或電磁式傳感器來檢測轉子位置，如霍爾傳感器、光電碼盤等，簡化電機控制過程的同時，也增加了維護成本，且安裝精度較高[6]。無位置傳感器控制方法因其簡單的結構和較低的成本，正在逐漸成為電機控制領域的研究熱點。

本文的電勵磁同極電機，由轉子形狀與氣隙磁場共同作用，電樞繞組的感應反電動勢為梯形波，這一特性與傳統(tǒng)的無刷直流電動機相一致。將反電動勢的過零點信號延遲30°電角度，進而得到相應各開關管的換相時刻，實現同極電機的無位置傳感器控制。

采用反電動勢過零點檢測法，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建控制系統(tǒng)仿真模型,系統(tǒng)框圖如圖8所示。采用上橋臂PWM，下橋臂恒通的策略，由于是在PWM 關斷的期間進行過零檢測，可以避免高頻噪聲的干擾。檢測到反電動勢過零點后，延遲30°得到需要的電機換相點,電機的起動方式采用三段式起動：轉子定位、加速運行和自同步切換[6]。完成轉子預定位后，提高電機電壓，直到可以檢測到反電動勢過零點，即可切換到自同步狀態(tài)。

圖8 無位置傳感器電勵磁同極電機控制系統(tǒng)模型

圖9為電機處于加速狀態(tài)時的逆變器門極輸入調制信號波形。圖10從上到下分別為電機從加速到穩(wěn)速狀態(tài)時對應A相繞組的相電流，反電動勢和過零點檢測信號波形。結果顯示在電機空載起動階段，相電流經過短時間振蕩逐漸達到穩(wěn)態(tài)，0.2 s加入負載，系統(tǒng)快速響應并在短時間內達到穩(wěn)態(tài)。反電動勢波形為經過二階濾波后得到的梯形波，且Zcp能夠可靠地檢測對應反電動勢過零點，提供正確的換相信息。

圖9 逆變器門極調制信號

圖10 A相電流、反電動勢和Zcp信號波形

圖11顯示了給定轉速15 000 r/min時輸出轉速曲線。從圖11中可以看出，0.05 s以前轉子處于預定位狀態(tài)，0.06 s后開始切換到自同步狀態(tài)。采用速度計算模塊得到的轉速信號作為速度反饋信號，導致轉速曲線在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時存在微小脈動。

圖11 電機輸出轉速曲線

仿真結果表明，通過端電壓反電動勢檢測法，得到過零點信號并延遲30°電角度，可獲取正確的換相信息[7]。可以有效地實現電機系統(tǒng)的無位置傳感器控制，驗證了模型的正確性和方法的可行性。

4 電機系統(tǒng)實驗驗證

搭建電勵磁同極電機控制系統(tǒng)的軟硬件實驗平臺，主要包括4部分：1.2 kW電勵磁同極電機、以TMS320F28335為核心的電機控制與驅動系統(tǒng)(含直流母線電源)、勵磁電源與控制上位機。系統(tǒng)實物圖如圖12所示。電機樣機的電氣參數如表2所示。

圖12 電機控制實驗平臺

參數數值參數數值電機功率Pn/kW1.2相電阻Rs/Ω1.3額定電壓U0/V380額定轉速n0/(r·min-1)7 000相電感Ls/mH0.43額定電流I0/A2.4

對電勵磁同極電機控制系統(tǒng)進行開環(huán)起動實驗與速度閉環(huán)控制升速實驗，以校核基于反電動勢過零點檢測法合理性與仿真模型的正確性。電機開環(huán)起動采用軟件三段式起動方式，類似于步進電機。首先由程序控制給預定兩相定子繞組通電，使電機定子合成磁勢軸線在空間定向，把轉子轉動到預定位置，然后按事先設定的轉子位置6狀態(tài)表得到通電相序，給相應繞組導通，起動電機[8]。重復以上過程，直至能夠檢測到反電動勢信號為止。圖13為上、下橋臂的PWM信號控制波形，圖14為定子三相反電動勢與6狀態(tài)換相信號波形。

圖13 PWM信號控制波形

圖14 三相反電動勢與

通過檢測非導通相的端電壓再與中點電壓進行比較，就能夠準確得到反電動勢過零點；將反電動勢過零點信號延遲30°電角度，得到6個離散的轉子位置信號[10]，提供正確的換相信息。因此在進行電機的6拍換相控制之前，需要30°電角度延遲對應換相點的確切延遲時間。該軟件實現如下式：

(7)

式(7)中，T是轉子完成前一次旋轉所需的時間，α是期望的延遲角。通過將α除以360°，乘以T的結果，得到在下一個相位對前進行轉換所需的時間。在代碼中，這個延遲角固定在30°。圖15為電勵磁同極電機從靜止逐漸升速到7 000 r/min的升速波形圖。從圖15可以看出，電機能夠較快地從靜止加速到額定轉速，且轉速波形平穩(wěn)，穩(wěn)速時抖動較小，驗證了系統(tǒng)的可行性和方法的正確性。

圖15 某轉速電機升速波形圖

5 結 語

基于改善傳統(tǒng)高速永磁電機旋轉鐵耗與轉子強度的目的，提出了一種電勵磁同極電機的概念模型，完成了該電機樣機的機械、電磁設計與實現，在三相定子坐標系下建立其數學模型，并對無位置傳感器電機控制系統(tǒng)進行仿真。最后以電勵磁同極電機為控制對象，搭建了以TMS320F28335為核心的系統(tǒng)控制平臺，編寫了基于反電動勢過零點檢測換相的電機控制系統(tǒng)程序，完成實驗驗證。實驗驗證了電機系統(tǒng)的可行性和控制方法的有效性，對高速電機的結構改進與控制應用提供了一種新的思路。