鄒治銳，陳世元

(華南理工大學(xué)，廣東廣州 510640)

0 引 言

電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱DSEM)類似于永磁式雙凸極電機(jī)，不同的是用勵(lì)磁繞組代替永磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小來(lái)達(dá)到電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)可調(diào)的目的。DSPM由于在轉(zhuǎn)子或定子上嵌入了永磁體，高溫運(yùn)行能力差，而且弱磁控制比較難，可控參數(shù)少。而DSEM由于不存在永磁體，適用的場(chǎng)合更廣，而且容易進(jìn)行弱磁控制，可控參數(shù)比DSPM多［1］，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)依舊是電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)最突出的問(wèn)題。近年DSEM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及其抑制技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)之一，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲、速度波動(dòng)的根源，限制了DSEM的應(yīng)用范圍。

造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有多方面的原因，可以分為以下幾個(gè)方面:電磁因素引起的、電流換向引起的、齒槽效應(yīng)引起的、電樞反應(yīng)及電機(jī)制造工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等［2］。DSEM電機(jī)中合成氣隙磁導(dǎo)為常數(shù)，理論上不存在齒槽轉(zhuǎn)矩［3］。其中電磁因素和電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是DSEM最主要的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以從改進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)和采取合適的控制策略兩方面進(jìn)行，本文就控制策略方面總結(jié)幾種行之有效的方法。

1 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

DSEM的轉(zhuǎn)矩方程:

式中:Tp為每相轉(zhuǎn)矩;Tpf為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩;Tpr為磁阻轉(zhuǎn)矩;ip為每相電流;if為勵(lì)磁電流;Lp為電樞繞組自感;Lpf為電樞繞組與勵(lì)磁繞組之間的互感;θ為轉(zhuǎn)子位置角［4］。

在電流不控制的情況下，正電流向負(fù)電流或零電流換向時(shí)，電流變化較慢。這是因?yàn)榇藭r(shí)正電流處于峰值，電感L達(dá)到最大值，電感阻礙電流變化的作用較大，使電流變化緩慢，電流下降速率較慢;而負(fù)電流向正電流或零電流換向時(shí)，電流變化較快。這是因?yàn)樨?fù)電流此時(shí)處于峰值，電感L達(dá)到最小值，電感阻礙電流變化的作用較小，使電流變化迅速，電流上升速率較快［5］。

由于繞組電感的存在，兩個(gè)換相狀態(tài)之間存在一個(gè)換相時(shí)間，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時(shí)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，電流的上升時(shí)間和下降時(shí)間不可能無(wú)限短［6］，使得在后一個(gè)換相狀態(tài)時(shí)前一個(gè)換相狀態(tài)的殘存電流影響到合成轉(zhuǎn)矩，從而造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

另外在繞組通正電流或負(fù)電流期間，電感的變化使得繞組通過(guò)的電流并不是恒定的電流，同樣造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2 抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制方法

2.1 電流滯環(huán)跟蹤 PWM［13］

這是最常規(guī)的一種電流閉環(huán)控制方法，使得繞組通正電流或負(fù)電流期間相電流盡可能保持穩(wěn)定。電流環(huán)采用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)比較實(shí)際電流與允許一定偏差范圍的給定電流來(lái)輸出控制信號(hào)。當(dāng)實(shí)際電流小于給定電流的下限值時(shí)，滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸出控制信號(hào)使開關(guān)管導(dǎo)通，繞組電流會(huì)隨之上升;當(dāng)達(dá)到給定電流的上限值時(shí)，滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸出控制信號(hào)使開關(guān)管關(guān)斷，電流會(huì)隨之下降。該方法應(yīng)用簡(jiǎn)單、快速性好，具有限流能力［6］。

2.2 優(yōu)化開關(guān)角的控制策略

2.2.1 提前角度控制方式

文獻(xiàn)［7］以12/8極永磁式雙凸極電機(jī)為研究對(duì)象，提出了角度提前控制方式。研究了不同角度提前量對(duì)永磁式雙凸極電機(jī)相繞組電流及輸出轉(zhuǎn)矩的影響。結(jié)果顯示，合理地選擇角度提前量，能提高電機(jī)換相后繞組電流上升率和平均值，減少換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

文獻(xiàn)［8］也提到采用提前角控制策略可以提高混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁直流一定時(shí)，在一定的提前角范圍內(nèi)，該控制策略具有抑制輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的效果，其輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)率隨著提前角增大而減小。

2.2.2 提前開通－滯后關(guān)斷控制方式

通過(guò)提前導(dǎo)通開關(guān)管上管、滯后關(guān)斷其下管，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通模式重新劃分，在換相前后，兩相導(dǎo)通方式切換成三相導(dǎo)通方式，來(lái)提高換相期間的輸出轉(zhuǎn)矩以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)［9］詳細(xì)分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的形成原因，提出新的開關(guān)管通斷控制方式，相比標(biāo)準(zhǔn)角度控制時(shí)稍微延長(zhǎng)開關(guān)管的導(dǎo)通區(qū)間，使得在換相前后三相電流導(dǎo)通區(qū)間出現(xiàn)部分重疊，增大換相期間的輸出轉(zhuǎn)矩，從而減小換相脈動(dòng)。

2.3 基于半橋變換器的角度優(yōu)化控制策略

前面提到的優(yōu)化開關(guān)角控制策略是基于全橋變換電路，文獻(xiàn)［10］提出了基于半橋控制電路的角度優(yōu)化控制策略，其半橋電路如圖1所示［4］，半橋控制電路下可實(shí)現(xiàn)三相繞組電流的獨(dú)立控制。采用合適的換相角度，可以滿足分裂電容充放電的平衡，電流很好地限定在給定值。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該策略的有效性，能夠有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖1 三相半橋主電路

2.4 諧波電流消去法

文獻(xiàn)［11］根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的函數(shù)表達(dá)式，提出諧波消去法抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)理論分析諧波電流法消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原理，選取反電勢(shì)的傅里葉級(jí)數(shù)為自由函數(shù)，對(duì)三相空載反電勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波分量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除基波之外二次諧波分量較大，因而只需消去二次諧波，即注入與反電勢(shì)二次諧波分量反向的二次諧波電流，就可以較大改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與方波電流相比，采用基波電流與反電勢(shì)二次諧波分量反向的二次諧波電流合成的理想電流，能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，驗(yàn)證了所提方法的正確性和可行性。

2.5 轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制法

文獻(xiàn)［4］提出采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)加換相角度優(yōu)化方式的新型轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制策略抑制DSEM換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

由DSEM的轉(zhuǎn)矩方程可知，轉(zhuǎn)矩與相電流、繞組自感、互感隨轉(zhuǎn)子位置變化率等因素有關(guān)，但在實(shí)際控制系統(tǒng)中無(wú)法直接檢測(cè)出，因此設(shè)計(jì)了DSEM轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，如圖2所示［4］，通過(guò)檢測(cè)相電壓、相電流和轉(zhuǎn)子角速度就能算出任意一相的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，從而得到三相合成輸出轉(zhuǎn)矩。

圖2 轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器

單獨(dú)采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)會(huì)產(chǎn)生很大的相電流尖峰，采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)加換相角度優(yōu)化的新型控制策略，使得某相轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)最小情況時(shí)其它兩相轉(zhuǎn)矩尖峰彌補(bǔ)該相轉(zhuǎn)矩，從而使合成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小。

2.6 轉(zhuǎn)矩分配控制法

文獻(xiàn)［4］還提出采用三相半橋控制電路對(duì)DSEM三相繞組進(jìn)行獨(dú)立控制的新型轉(zhuǎn)矩分配控制策略，可使三相間隔換相，各相轉(zhuǎn)矩合理分配，以減小三相合成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)通規(guī)律如表1所示［4］。

表1 轉(zhuǎn)矩分配導(dǎo)通規(guī)律

在某一位置角θ時(shí)，雖然某一相電流換相時(shí)轉(zhuǎn)矩仍將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩缺口，但由于三相換相時(shí)間不同，另外兩相此時(shí)電流不換相均產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩缺口將大大減小。

2.7 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流三閉環(huán)控制法

文獻(xiàn)［12］在常規(guī)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上提出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流三閉環(huán)控制策略。

在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速外環(huán)采用PI或PID調(diào)節(jié)器產(chǎn)生參考電流，與電流內(nèi)環(huán)的采樣電流比較，再由滯環(huán)控制器輸出控制信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管的通斷。

而新型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流三閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)則是在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加一個(gè)轉(zhuǎn)矩閉環(huán):轉(zhuǎn)速外環(huán)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩參考量，然后比較轉(zhuǎn)矩參考量與實(shí)際量的偏差并作為輸入，接一個(gè)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到參考電流，與實(shí)際電流比較，再由電流滯環(huán)輸出PWM信號(hào)控制開關(guān)管調(diào)節(jié)電流偏差。

2.8 SVPWM 控制法

電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制又稱磁鏈跟蹤控制，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的［13］。其基本思想是在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位［15］。

文獻(xiàn)［14］搭建定子雙饋電雙凸極電機(jī)(SDFDS，即DSEM)的SVPWM控制系統(tǒng)仿真模型，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電樞繞組通電的兩相電流經(jīng)過(guò)Clarke變換、Park變換得到d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩直流分量id和iq，與從轉(zhuǎn)矩控制器得到的給定分量進(jìn)行比較，并輸入到d、q軸的PI調(diào)節(jié)器，從而得到設(shè)定值，再通過(guò)Park反變換后輸入到電壓矢量調(diào)制模型，得到輸出脈沖信號(hào)控制功率變換器［14－15］，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

模型仿真結(jié)果表明，在采用矢量控制的SDFDS電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，有較好的電流和轉(zhuǎn)速控制性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

DSEM電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)易于調(diào)節(jié)，解決了DSPM電機(jī)磁場(chǎng)不可控的問(wèn)題，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題依然存在。通過(guò)查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，就DSEM電機(jī)控制策略方面，本文總結(jié)了幾種減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的可行性方法。本文所提到的每種控制方法在不同的程度上減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但也有缺陷。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程知轉(zhuǎn)矩與相電流有關(guān)，因此需加必要的電流環(huán)控制，包括電流滯環(huán)跟蹤PWM法、諧波電流消去法、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流三閉環(huán)、SVPWM控制。雙環(huán)或三環(huán)控制法改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要優(yōu)于電流滯環(huán)單環(huán)調(diào)節(jié);諧波消去法可以把轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)削弱到某一程度，但無(wú)法進(jìn)一步改善。轉(zhuǎn)矩還與繞組自感、互感隨轉(zhuǎn)子位置變化率有關(guān)，換相期間電流上升或下降有一定的時(shí)間，此時(shí)電流絕對(duì)值小于平時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩小，因此有必要優(yōu)化角度控制，包括提前角度控制、提前開通滯后關(guān)斷控制、半橋控制等，彌補(bǔ)電流換相缺口。還有從控制轉(zhuǎn)矩方面來(lái)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，如直接轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩分配控制、三閉環(huán)控制等，但控制電路稍顯復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，難以定論哪種方法更好，但多閉環(huán)控制比單環(huán)控制好，調(diào)速范圍也寬，動(dòng)態(tài)性能好，再加上適當(dāng)?shù)拈_關(guān)管角度優(yōu)化，能更好地改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如果考慮轉(zhuǎn)矩控制，控制電路也隨之復(fù)雜。隨著DSEM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題相關(guān)研究的深入，相信會(huì)有更好的方法解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題。

［1］徐瑞東.電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的建模及其PID控制［J］.防爆電機(jī)，2006，41(2):24 －27.

［2］李節(jié)寶，章躍進(jìn).永磁無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析及削弱方法［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38(4):6 －12.

［3］李國(guó)生.電勵(lì)磁雙凸極起動(dòng)/發(fā)電機(jī)起動(dòng)控制技術(shù)研究［D］.南京:京航空航天大學(xué)，2011:6－7.

［4］張樂(lè).電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(3):83－89.

［5］相蓉，周波，孟小利.電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33(4):366－371.

［6］李懷兵，丑武勝，馮震.非換相期間無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.微電機(jī)，2011，44(4):1 －5.

［7］胡勤豐，嚴(yán)仰光.永磁式雙凸極電機(jī)角度提前控制方式［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(9):13－18.

［8］隋天日，嚴(yán)欣平，黃嵩，等.混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)提前角控制策略研究［J］.微電機(jī)，2011，44(2):57 －60.

［9］馬長(zhǎng)山，周波.永磁式雙凸極電機(jī)新型開通關(guān)斷角控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，24(27):69－73.

［10］李國(guó)生.基于半橋變換器的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)角度優(yōu)化控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(27):102－108.

［11］孔祥新，程明，束亞剛，等.定子雙饋電雙凸極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析與抑制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(5):18 －22.

［12］葛路明，樊英，江和和.雙凸極永磁電機(jī)新型控制策略研究［J］.微電機(jī)，2011，44(3):46 －50.

［13］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)－運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:175－182.

［14］束亞剛，程明.定子雙饋電雙凸極電機(jī)SVPWM控制建模與仿真［J］.微電機(jī)，2010，43(4):1 －4.

［15］黃健輝.雙凸極永磁電機(jī)矢量控制研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006:14－21.