鄒治銳，陳世元

(華南理工大學(xué)，廣東廣州 510640)

0 引 言

電勵磁雙凸極電機(以下簡稱DSEM)類似于永磁式雙凸極電機，不同的是用勵磁繞組代替永磁體來實現(xiàn)勵磁，通過調(diào)節(jié)勵磁電流大小來達(dá)到電機內(nèi)部磁場可調(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)矩脈動依舊是電勵磁雙凸極電機最突出的問題。近年DSEM的轉(zhuǎn)矩脈動及其抑制技術(shù)一直是研究熱點之一，轉(zhuǎn)矩脈動是電動機振動、噪聲、速度波動的根源，限制了DSEM的應(yīng)用范圍。

造成轉(zhuǎn)矩脈動有多方面的原因，可以分為以下幾個方面: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)及電機制造工藝引起的轉(zhuǎn)矩脈動等［2］。DSEM電機中合成氣隙磁導(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)矩脈動是DSEM最主要的轉(zhuǎn)矩脈動。抑制轉(zhuǎn)矩脈動可以從改進(jìn)電機設(shè)計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)矩脈動分析

DSEM的轉(zhuǎn)矩方程:

式中:Tp為每相轉(zhuǎn)矩;Tpf為勵磁轉(zhuǎn)矩;Tpr為磁阻轉(zhuǎn)矩;ip為每相電流;if為勵磁電流;Lp為電樞繞組自感;Lpf為電樞繞組與勵磁繞組之間的互感;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，電流變化較慢。這是因為此時正電流處于峰值，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，電流變化較快。這是因為負(fù)電流此時處于峰值，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，兩個換相狀態(tài)之間存在一個換相時間，電樞繞組中的電流從某一相切換到另一相時有一個過渡過程，電流的上升時間和下降時間不可能無限短［6］，使得在后一個換相狀態(tài)時前一個換相狀態(tài)的殘存電流影響到合成轉(zhuǎn)矩，從而造成轉(zhuǎn)矩脈動。

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的電流并不是恒定的電流，同樣造成轉(zhuǎn)矩脈動。

2 抑制轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法

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，通過比較實際電流與允許一定偏差范圍的給定電流來輸出控制信號。當(dāng)實際電流小于給定電流的下限值時，滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸出控制信號使開關(guān)管導(dǎo)通，繞組電流會隨之上升;當(dāng)達(dá)到給定電流的上限值時，滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸出控制信號使開關(guān)管關(guān)斷，電流會隨之下降。該方法應(yīng)用簡單、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為研究對象，提出了角度提前控制方式。研究了不同角度提前量對永磁式雙凸極電機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，能提高電機換相后繞組電流上升率和平均值，減少換相轉(zhuǎn)矩脈動。

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

通過提前導(dǎo)通開關(guān)管上管、滯后關(guān)斷其下管，對一個周期內(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，來提高換相期間的輸出轉(zhuǎn)矩以減小轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)［9］詳細(xì)分析轉(zhuǎn)矩脈動的形成原因，提出新的開關(guān)管通斷控制方式，相比標(biāo)準(zhǔn)角度控制時稍微延長開關(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。

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現(xiàn)三相繞組電流的獨立控制。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。仿真和實驗結(jié)果驗證了該策略的有效性，能夠有效減小轉(zhuǎn)矩脈動。

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)電機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩脈動的函數(shù)表達(dá)式，提出諧波消去法抑制轉(zhuǎn)矩脈動。通過理論分析諧波電流法消除轉(zhuǎn)矩脈動的原理，選取反電勢的傅里葉級數(shù)為自由函數(shù)，對三相空載反電勢進(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。仿真和實驗結(jié)果表明:與方波電流相比，采用基波電流與反電勢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，驗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。

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)，但在實際控制系統(tǒng)中無法直接檢測出，因此設(shè)計了DSEM轉(zhuǎn)矩觀測器，如圖2所示［4］，通過檢測相電壓、相電流和轉(zhuǎn)子角速度就能算出任意一相的瞬時轉(zhuǎn)矩，從而得到三相合成輸出轉(zhuǎn)矩。

圖2 轉(zhuǎn)矩觀測器

單獨采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)會產(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)最小情況時其它兩相轉(zhuǎn)矩尖峰彌補該相轉(zhuǎn)矩，從而使合成轉(zhuǎn)矩脈動減小。

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DSEM三相繞組進(jìn)行獨立控制的新型轉(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，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，雖然某一相電流換相時轉(zhuǎn)矩仍將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩缺口，但由于三相換相時間不同，另外兩相此時電流不換相均產(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來控制開關(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)矩參考量與實際量的偏差并作為輸入，接一個轉(zhuǎn)矩閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到參考電流，與實際電流比較，再由電流滯環(huán)輸出PWM信號控制開關(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定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)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(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，得到輸出脈沖信號控制功率變換器［14－15］，調(diào)節(jié)電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

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

3 結(jié) 語

DSEM電機勵磁磁場易于調(diào)節(jié)，解決了DSPM電機磁場不可控的問題，但轉(zhuǎn)矩脈動問題依然存在。通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，就DSEM電機控制策略方面，本文總結(jié)了幾種減小轉(zhuǎn)矩脈動的可行性方法。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，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)矩脈動削弱到某一程度，但無法進(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間，此時電流絕對值小于平時，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，彌補電流換相缺口。還有從控制轉(zhuǎn)矩方面來調(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。實驗及仿真結(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。如果考慮轉(zhuǎn)矩控制，控制電路也隨之復(fù)雜。隨著DSEM轉(zhuǎn)矩脈動問題相關(guān)研究的深入，相信會有更好的方法解決轉(zhuǎn)矩脈動問題。

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