潘緒前, 朱孝勇, 左月飛, 張 超, 全 力

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

定子永磁型雙凸極非稀土永磁電機(jī)諧波電流抑制*

潘緒前, 朱孝勇, 左月飛, 張 超, 全 力

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

定子永磁型雙凸極非稀土永磁電機(jī)(NRE-DSPM)采用剩磁較高的鋁鎳鈷(AlNiCo)永磁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的稀土永磁，降低電機(jī)制作成本的同時也可配合磁化繞組對電機(jī)氣隙磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電機(jī)獲得較好的性能。但受電機(jī)本體參數(shù)影響，NRE-DSPM在運行時相電流中含有大量的諧波，嚴(yán)重影響電機(jī)的效率和穩(wěn)定性。為解決此問題，采用了一種PI控制器并聯(lián)諧振調(diào)節(jié)器的電流環(huán)控制方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，且無需增加硬件成本，可對電流諧波進(jìn)行有效抑制。一臺1.25 kW的NRE-DSPM樣機(jī)在試驗平臺上進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果驗證了所用方法的有效性。

非稀土類電機(jī)；定子永磁型雙凸極電機(jī)；諧振調(diào)節(jié)器；諧波電流抑制

0 引 言

稀土永磁電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩密度高、性能好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)傳動領(lǐng)域。但隨著稀土價格的上升，稀土永磁電機(jī)的成本也變得十分昂貴，因此越來越多的學(xué)者把目光聚集在非稀土類電機(jī)上。非稀土類電機(jī)使用非稀土永磁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的稀土永磁來進(jìn)行勵磁，雖然降低了電機(jī)的制作成本，但其性能遠(yuǎn)弱于稀土永磁電機(jī)。為解決此問題，學(xué)者們通常采用轉(zhuǎn)矩密度較大的電機(jī)結(jié)構(gòu)來提高非稀土類電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

定子永磁型雙凸極電機(jī)是一種較為新穎的結(jié)構(gòu)，將定子永磁型電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單的特點與雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度較大的優(yōu)點充分結(jié)合起來，使電機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)矩輸出能力[1]。本文所研究的定子永磁型雙凸極非稀土永磁電機(jī)(Doubly Salient Permanent Magnet Motor with Non-Rare-Earth，NRE-DSPM)就是以定子永磁型雙凸極結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在轉(zhuǎn)子上使用AlNiCo永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的稀土永磁材料，使電機(jī)獲得較好的轉(zhuǎn)矩性能。同時由于AlNiCo剩磁很高，短時間內(nèi)磁性不會發(fā)生變化，因此配合磁化繞組還可對NRE-DSPM進(jìn)行在線或者離線充磁，增強(qiáng)電機(jī)反電動勢，提高電機(jī)性能。但在NRE-DSPM實際運行中，受電機(jī)本體參數(shù)及控制系統(tǒng)的影響，電流中出現(xiàn)了大量的諧波，長時間運行會引起電機(jī)發(fā)熱，大大影響電機(jī)運行時的效率和安全性。產(chǎn)生諧波電流的主要原因有：

(1) 電機(jī)反電動勢中含有較多的諧波反電動勢，并最終影響相電流。

(2) 逆變器非線性也會引起相電流中5、7次諧波增大[2]。

(3) 在進(jìn)行各種優(yōu)化的情況下，NRE-DSPM正負(fù)半周的磁路仍呈現(xiàn)出不對稱的狀況，引起交直軸電感波動較大，最終導(dǎo)致NRE-DSPM相電流中出現(xiàn)了大量偶次諧波。

抑制諧波電流可從電機(jī)本體或驅(qū)動兩個方向?qū)崿F(xiàn)。電機(jī)本體方面主要是通過優(yōu)化電機(jī)本體相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3-4]，改善氣隙磁場正弦度為主。受電機(jī)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工成本等因素的影響，此類方法存在一定的局限性。因此，大多數(shù)研究都集中在如何從控制方法上實現(xiàn)電流諧波的抑制。

為抑制由逆變器非線性引起的諧波電流，文獻(xiàn)[5]從優(yōu)化PWM波入手，利用SVPWM算法的調(diào)制特點，通過計算重新組合開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)對特定諧波的消去，并取得了理想的效果，但其算法無法消除反電動勢諧波帶來的影響。為實現(xiàn)對各種因素所引起的諧波電流的抑制，文獻(xiàn)[6]利用諧波注入的原理，來抵消dq軸中的特定頻率波動，可減小諧波電流的含量，但此算法需要增加多個PI調(diào)節(jié)器及低通濾波器，很難取得理想的效果。文獻(xiàn)[7]采用重復(fù)控制對dq軸上的6、12次諧波進(jìn)行抑制，但重復(fù)控制算法比較復(fù)雜，需要較大的存儲空間，當(dāng)頻率變化時，控制器的參數(shù)要重新計算，實現(xiàn)起來比較困難。

由于諧振調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，對交流信號的調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，因此近年來也被應(yīng)用到PMSM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，對諧波電流進(jìn)行抑制，并取得了很好的效果[8-10]。故本文在電流環(huán)采用了諧振調(diào)節(jié)器與PI控制器并聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)，形成比例積分諧振器(Proportional Integral Resonator,PIR)，對dq軸的特定次正弦擾動進(jìn)行抑制，并在一臺NRE-DSPM樣機(jī)上驗證了此算法的有效性。

1 NRE-DSPM介紹

1.1電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文研究的12/8型NRE-DSPM結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。為驗證電機(jī)的實際性能，搭建了基于dSPACE系統(tǒng)的1.25 kW NRE-DSPM試驗平臺，如圖2所示。

圖1 NRE-DSPM結(jié)構(gòu)圖

圖2 NRE-DSPM試驗平臺

該電機(jī)繼承了傳統(tǒng)的雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，轉(zhuǎn)子上不放置任何繞組和永磁體，簡單可靠。由于增加了磁化繞組，因此將定子設(shè)計為兩層，外層定子為傳統(tǒng)的凸極式結(jié)構(gòu)并繞有集中式電樞繞組，內(nèi)層定子嵌有4塊徑向充磁的AlNiCo永磁并繞有磁化繞組。此外，在雙層定子結(jié)構(gòu)中，因為永磁體和電樞繞組分別置于內(nèi)外兩層，可以大大減小電樞反應(yīng)對AlNiCo永磁體工作點的影響[11]。

由于AlNiCo永磁材料的剩磁較高，在短暫時間內(nèi)磁性不會改變，因此在AlNiCo永磁體上增加一套磁化繞組并設(shè)計獨立的勵磁電路對其進(jìn)行充去磁。通過單獨對繞組磁化電流的控制，不僅可以在離線的情況下增強(qiáng)NRE-DSPM的氣隙磁場，也可以在線對電機(jī)磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電機(jī)能夠適應(yīng)大功率運行。

1.2NRE-DSPM反電動勢特性

由于NRE-DSPM具有磁通在線可調(diào)的特點，故其磁鏈方程也跟傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的磁鏈方程有所區(qū)別，設(shè)電機(jī)滿磁化狀態(tài)下的磁鏈為ψpm_max，可得到NRE-DSPM在任意磁化狀態(tài)下的磁鏈表達(dá)式：

則NRE-DSPM反電動勢的表達(dá)式為

式中:k——磁場調(diào)節(jié)系數(shù)(0≤k≤1)，是關(guān)于變量iplus的函數(shù)；

iplus——磁化繞組中的電流脈沖；

Epm_max——滿磁化狀態(tài)下的反電動勢幅值。

根據(jù)式(2)可以看出，與傳統(tǒng)的PMSM相比，NRE-DSPM反電動勢方程中增加了特有的磁場調(diào)節(jié)系數(shù)k。

為研究電機(jī)反電勢特性，在150 r/min轉(zhuǎn)速下測試了不同磁化狀態(tài)下的NRE-DSPM電機(jī)反電動勢，如圖3所示。

圖3 不同磁化狀態(tài)下實測反電動勢

由實測反電動勢可看出，由于AlNiCo永磁材料有多重磁化狀態(tài)，導(dǎo)致NRE-DSPM不同的反電動勢，體現(xiàn)了電機(jī)的靈活性。但不論何種磁化狀態(tài)，電機(jī)反電動勢畸變均比較嚴(yán)重。對三種狀態(tài)下的反電動勢進(jìn)行FFT對比分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，各種磁化狀態(tài)下的反電動勢THD基本相同，說明通過控制磁化電流只會改變氣隙磁場的強(qiáng)度，而不會改變反電動勢諧波的比例，故只需選擇一種磁化狀態(tài)進(jìn)行分析即可。

圖4 不同磁化狀態(tài)反電動勢FFT對比

1.3電感特性

NRE-DSPM受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體排列方式等因素的影響，磁路出現(xiàn)了不對稱，導(dǎo)致每相自感在一個電流周期內(nèi)不再是正負(fù)半周對稱，并引起交直軸電感波動。NRE-DSPM電感波形如圖5所示，一個電流周期為37.5 ms，取兩個周期的數(shù)據(jù)。由圖5可明顯看出，一個電流周期內(nèi)，正負(fù)半周的電感不再對稱，交直軸電感的波動主要以3倍頻為主。電感是電機(jī)的重要參數(shù)，當(dāng)交直軸電感波動較大時，必然會影響電機(jī)運行。

圖5 NRE-DSPM電感波形

2 NRE-DSPM電流諧波分析

2.1NRE-DSPM數(shù)學(xué)模型

由傳統(tǒng)PMSM數(shù)學(xué)模型,可將NRE-DSPM在dq軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型改寫成：

式中:ud、uq、Ld、Lq、id、iq——dq軸上的等效電壓、等效電感和等效電流；

R——定子電阻，在dq軸的等效值相同；

ωe——電機(jī)角速度；

ψpmf——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下NRE-DSPM的永磁體磁鏈，則ωeψpmf為NRE-DSPM在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的反電動勢，理想狀態(tài)下為直流量。

根據(jù)式(1)和式(2)，可將式(3)改寫為

式中:Epmf_max——NRE-DSPM電機(jī)滿磁化狀態(tài)下的反電動勢。

當(dāng)NRE-DSPM反電動勢畸變較大和電感不對稱時會導(dǎo)致Ld、Lq、Epmf_max產(chǎn)生波動，則最終引起dq軸電壓、電流波動。式(4)也說明了反電動勢畸變和磁路不對稱是NRE-DSPM產(chǎn)生諧波電流的主要原因。

鑒于空間電壓矢量控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、直流電壓利用率高、電流諧波小等優(yōu)點，本文依舊采用空間電壓矢量控制策略對NRE-DSPM的性能進(jìn)行分析?；诳臻g矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的NRE-DSPM控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。其中，轉(zhuǎn)速環(huán)PI設(shè)計采用文獻(xiàn)[12]中的復(fù)合PI控制器設(shè)計方法。電流環(huán)PI采用反電動勢補(bǔ)償PI控制器，參數(shù)設(shè)計采用零極點對消的方式來選取。

圖6 基于SVPWM的NRE-DSPM控制系統(tǒng)

2.2開環(huán)電流分析

為說明電機(jī)氣隙磁場和電感等參數(shù)對電機(jī)相電流的影響，給NRE-DSPM通入幅值為12 V、頻率為20 Hz、相位相差120°的理想三相正弦電壓，即電流開環(huán)試驗，得到此時的A相空載電流及dq軸電流，如圖7(a)所示。由圖7(a)可以看出，在理想正弦電壓作用下NRE-DSPM產(chǎn)生的相電流畸變比較大，受磁路不對稱的影響，相電流也出現(xiàn)了上下不對稱的情況。根據(jù)傅里葉分解原理可知，當(dāng)電流正負(fù)半周不對稱時，就會出現(xiàn)偶次諧波。對圖7(a)所示的相電流進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖7(b)所示。

圖7 開環(huán)實測電流

對于三相負(fù)載來說，偶次諧波電流的危害遠(yuǎn)大于奇次諧波電流，不僅會給電機(jī)帶來更多的損耗，還會導(dǎo)致電機(jī)溫升過快，嚴(yán)重威脅電機(jī)的安全和壽命。圖7說明，NRE-DSPM參數(shù)不理想時會給相電流帶來大量的諧波。

2.3dq軸電流諧波分析

在傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由各種因素造成的相電流諧波在3s/2r作用下最終變?yōu)閐q軸電流的波動。由于本文所研究電機(jī)的相電流中含有非常規(guī)的偶次諧波電流，故為方便分析，重新推導(dǎo)了dq軸電流的表達(dá)式。由圖7分析結(jié)果可知，NRE-DSPM相電流中以2、4、5、7次諧波為主，忽略其他次諧波影響，定子相電流可寫成如下形式：

式中:ω——電流基波角頻率；

φ——各次諧波電流的初始相位，在NRE-DSPM控制系統(tǒng)中ω與ωe是同一概念。

將式(5)表示的三相電流由靜止坐標(biāo)系等幅值變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得dq軸電流的表達(dá)式：

式中:id1、iq1——基波電流在基次同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量。

由式(6)可看出，dq軸電流中主要諧波是3、6次諧波電流，其中，相電流中的2、4諧波電流共同作用生成了dq軸3次諧波電流，相電流中的5、7次諧波共同作用生成了dq軸6次諧波電流。

2.4閉環(huán)電流分析

圖8 閉環(huán)實測電流

對電流進(jìn)行閉環(huán)控制，加入PI控制器，給定iq=1 A，id=0 A，角頻率為20 Hz，得到實測閉環(huán)電流，如圖8(a)所示，其FFT分析結(jié)果如圖8(b)所示。

結(jié)合圖8和圖7的試驗和分析結(jié)果可以看出，通過電流環(huán)PI控制器能夠在一定程度上減小dq軸電流的擾動和相電流的畸變程度，但效果并不是很好。這也說明了PI控制器對交流量的調(diào)節(jié)能力有限[13]，雖然調(diào)大PI控制器的參數(shù)可以取得更好的效果，但同時會增大系統(tǒng)的噪聲。因此，為更好地實現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定高效運行，本文結(jié)合了結(jié)構(gòu)比較簡單的諧振調(diào)節(jié)器來對諧波電流進(jìn)行抑制。

3 諧波電流抑制方法

3.1諧振調(diào)節(jié)器

諧振調(diào)節(jié)器由內(nèi)模控制推導(dǎo)而來[14]。內(nèi)模控制可根據(jù)外部擾動的性質(zhì)在控制器中加入相應(yīng)的擾動信號模型，便可抵消外部擾動信號的作用。加入正弦信號模型的內(nèi)?？刂破骶褪侵C振調(diào)節(jié)器，理想諧振控制器的模型為：

式中: 2kωr——諧振系數(shù)；

ωr——諧振頻率。

由式(7)可知，諧振調(diào)節(jié)器在諧振頻率點處的增益無窮大，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定頻率正弦信號的無靜差跟蹤，而當(dāng)正弦信號作為外部擾動時，也可對其進(jìn)行抑制。諧振調(diào)節(jié)器廣泛用于有源濾波器及PWM整流器和逆變器中[15-16]，能夠有效抑制交流側(cè)的諧波電流和電壓。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，dq軸電流擾動的頻率與轉(zhuǎn)速基波頻率為整數(shù)倍關(guān)系，故dq軸電流諧波次數(shù)可由角頻率ωe來計算。根據(jù)這個特點，諧振調(diào)節(jié)器也完全適用于PMSM的控制系統(tǒng)，諧振頻率ωr與電機(jī)角頻率ωe有關(guān)[17]。

3.2電流環(huán)PIR控制器

由于矢量控制是在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對dq軸電流進(jìn)行控制，在抑制dq軸電流擾動的同時還需兼顧直流量的調(diào)節(jié)。故諧振調(diào)節(jié)器用在PMSM控制系統(tǒng)中時一般采用PI并聯(lián)諧振調(diào)節(jié)器的控制結(jié)構(gòu)，形成比例-積分-諧振環(huán)節(jié)，簡稱比例積分諧振器(PIR)，由比例-積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)直流量的無靜差跟蹤，由諧振環(huán)節(jié)抑制特定頻率的電流擾動，便可實現(xiàn)對直流量和交流量的共同調(diào)節(jié)。

為較好地抑制dq軸電流的波動，本文采用了文獻(xiàn)[18]所用的PIR控制器結(jié)構(gòu)，以q軸為例，基于PIR的NRE-DSPM電流諧波抑制結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。其中D(ωt)是dq軸擾動。由NRE-DSPM的實際dq軸擾動電流主要是3、6次諧波，故在電流環(huán)上采用3次和6次PIR控制器。

圖9 基于PIR的電流諧波抑制結(jié)構(gòu)框圖

4 試驗驗證

為驗證PIR控制器的有效性，本文在NRE-DSPM試驗平臺上進(jìn)行了算法驗證試驗。

使NRE-DSPM運行在完全磁化狀態(tài)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為恒定150 r/min，由磁粉制動器施加1.5 N·m負(fù)載，電流環(huán)采用PI控制器，得到穩(wěn)態(tài)時的相電流如圖10(a)所示。然后將圖9所示的PIR控制器加到電流環(huán)，穩(wěn)態(tài)時的相電流如圖10(b)所示，并將試驗結(jié)果作FFT對比分析，如圖11所示。

圖10 不同控制器作用下的電流

圖11 不同控制器作用下的相電流FFT對比

圖12 加入PIR瞬間電流

結(jié)合圖10和圖11可知，在PIR控制器的作用下，dq軸中3、6次電流擾動基本被抑制，相電流THD大大降低，電流基本為正弦。由于此時電機(jī)的效率提高，故在相同的試驗條件下，相電流幅值相應(yīng)有所降低，充分驗證了PIR算法的有效性。圖12是PIR算法切換前后的電流波形。由圖12可以看出，從PI控制器切換到PIR控制器需要約0.5 s。這也說明PIR控制器在實際應(yīng)用時也具有良好的動態(tài)特性，適用于電機(jī)控制系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

NRE-DSPM具有帶載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩密度高及磁場在線可調(diào)等優(yōu)點，但實際運行時相電流中出現(xiàn)的2、4、5、7次諧波電流嚴(yán)重影響了電機(jī)的效率。因此，本文在分析了諧波電流成因的基礎(chǔ)上，采用由PI控制器并聯(lián)諧振調(diào)節(jié)器組成的PIR控制器作為電流環(huán)控制器，實現(xiàn)了對各種因素所引起的諧波電流的抑制。最后在基于dSPACE控制系統(tǒng)的NRE-DSPM樣機(jī)試驗平臺上對PIR控制器進(jìn)行了驗證，并取得了滿意的效果。試驗結(jié)果表明：PIR控制器能有效地抑制各次諧波電流，實現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定高效運行。

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2017 -03 -13

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TheCurrentSuppressionofDoublySalientPermanentMagnetMotorwithNon-Rare-Earth*

PANXuqian,ZHUXiaoyong,ZUOYuefei,ZHANGChao,QUANLi

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

AlNiCo permanent magnet was used in doubly salient permanent magnet motor with non-rare-earth (NRE-DSPM) to replace traditional rare earth permanent magnet, which could reduce the production cost of the motor, and the air-gap magnetic field of NRE-DSPM could be adjusted by the magnetizing windings to improve the performance of the motor. However, due to the influence of the motor parameters, a large number of harmonics existed in the phase current of NRE-DSPM motor, which seriously affected the efficiency and stability of the motor. To solve this problem, a current loop control method based on PI controller parallel resonant regulator was adopted. The method was simple and easy to implement, and does not need to increase the hardware circuit cost, could effectively suppress the current harmonics. Experiments were finished on a 1.25 kW NRE-DSPM experimental platform, and the effectiveness of the method was verified by the experimental results.

non-rare-earthmotor;doublysalientpermanentmagnetmotor;resonantregulator;harmoniccurrentsuppression

國家自然科學(xué)基金項目(51477069)；國家自然基金項目(51377073)

潘緒前(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為非稀土永磁電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)。朱孝勇(1975—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向為永磁電機(jī)設(shè)計、分析與驅(qū)動控制等。

TM

A

1673-6540(2017)11- 0072- 07