電勵磁雙凸極電機轉矩脈動抑制的控制策略

鄒治銳，陳世元

(華南理工大學，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勵磁，通過調節勵磁電流大小來達到電機內部磁場可調的目的。DSPM由于在轉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，可控參數少。而DSEM由于不存在永磁體，適用的場合更廣，而且容易進行弱磁控制，可控參數比DSPM多［1］，但轉矩脈動依舊是電勵磁雙凸極電機最突出的問題。近年DSEM的轉矩脈動及其抑制技術一直是研究熱點之一，轉矩脈動是電動機振動、噪聲、速度波動的根源，限制了DSEM的應用范圍。

造成轉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、齒槽效應引起的、電樞反應及電機制造工藝引起的轉矩脈動等［2］。DSEM電機中合成氣隙磁導為常數，理論上不存在齒槽轉矩［3］。其中電磁因素和電流換相引起的轉矩脈動是DSEM最主要的轉矩脈動。抑制轉矩脈動可以從改進電機設計和采取合適的控制策略兩方面進行，本文就控制策略方面總結幾種行之有效的方法。

1 轉矩脈動分析

DSEM的轉矩方程:

式中:Tp為每相轉矩;Tpf為勵磁轉矩;Tpr為磁阻轉矩;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為轉子位置角［4］。

在電流不控制的情況下，正電流向負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;而負電流向正電流或零電流換向時，電流變化較快。這是因為負電流此時處于峰值，電感L達到最小值，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時前一個換相狀態的殘存電流影響到合成轉矩，從而造成轉矩脈動。

另外在繞組通正電流或負電流期間，電感的變化使得繞組通過的電流并不是恒定的電流，同樣造成轉矩脈動。

2 抑制轉矩脈動的控制方法

2.1 電流滯環跟蹤 PWM［13］

這是最常規的一種電流閉環控制方法，使得繞組通正電流或負電流期間相電流盡可能保持穩定。電流環采用滯環電流調節器，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。當實際電流小于給定電流的下限值時，滯環電流調節器輸出控制信號使開關管導通，繞組電流會隨之上升;當達到給定電流的上限值時，滯環電流調節器輸出控制信號使開關管關斷，電流會隨之下降。該方法應用簡單、快速性好，具有限流能力［6］。

2.2 優化開關角的控制策略

2.2.1 提前角度控制方式

文獻［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矩的影響。結果顯示，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，減少換相轉矩脈動。

文獻［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矩。當轉速和勵磁直流一定時，在一定的提前角范圍內，該控制策略具有抑制輸出轉矩脈動的效果，其輸出轉矩的脈動率隨著提前角增大而減小。

2.2.2 提前開通－滯后關斷控制方式

通過提前導通開關管上管、滯后關斷其下管，對一個周期內的導通模式重新劃分，在換相前后，兩相導通方式切換成三相導通方式，來提高換相期間的輸出轉矩以減小轉矩脈動。文獻［9］詳細分析轉矩脈動的形成原因，提出新的開關管通斷控制方式，相比標準角度控制時稍微延長開關管的導通區間，使得在換相前后三相電流導通區間出現部分重疊，增大換相期間的輸出轉矩，從而減小換相脈動。

2.3 基于半橋變換器的角度優化控制策略

前面提到的優化開關角控制策略是基于全橋變換電路，文獻［10］提出了基于半橋控制電路的角度優化控制策略，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。仿真和實驗結果驗證了該策略的有效性，能夠有效減小轉矩脈動。

圖1 三相半橋主電路

2.4 諧波電流消去法

文獻［11］根據電機轉矩產生機理導出轉矩脈動的函數表達式，提出諧波消去法抑制轉矩脈動。通過理論分析諧波電流法消除轉矩脈動的原理，選取反電勢的傅里葉級數為自由函數，對三相空載反電勢進行傅里葉分解，得到各次諧波分量，結果發現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，就可以較大改善轉矩脈動。仿真和實驗結果表明: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，能有效抑制轉矩脈動，驗證了所提方法的正確性和可行性。

2.5 轉矩內環控制法

文獻［4］提出采用轉速外環、轉矩內環加換相角度優化方式的新型轉矩內環控制策略抑制DSEM換相轉矩脈動。

由DSEM的轉矩方程可知，轉矩與相電流、繞組自感、互感隨轉子位置變化率等因素有關，但在實際控制系統中無法直接檢測出，因此設計了DSEM轉矩觀測器，如圖2所示［4］，通過檢測相電壓、相電流和轉子角速度就能算出任意一相的瞬時轉矩，從而得到三相合成輸出轉矩。

圖2 轉矩觀測器

單獨采用轉矩內環會產生很大的相電流尖峰，采用轉矩內環加換相角度優化的新型控制策略，使得某相轉矩出現最小情況時其它兩相轉矩尖峰彌補該相轉矩，從而使合成轉矩脈動減小。

2.6 轉矩分配控制法

文獻［4］還提出采用三相半橋控制電路對DSEM三相繞組進行獨立控制的新型轉矩分配控制策略，可使三相間隔換相，各相轉矩合理分配，以減小三相合成轉矩脈動，導通規律如表1所示［4］。

表1 轉矩分配導通規律

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

2.7 轉速轉矩電流三閉環控制法

文獻［12］在常規的轉速電流雙閉環控制策略的基礎上提出轉速轉矩電流三閉環控制策略。

在傳統的轉速電流雙閉環控制系統中，轉速外環采用PI或PID調節器產生參考電流，與電流內環的采樣電流比較，再由滯環控制器輸出控制信號來控制開關管的通斷。

而新型轉速轉矩電流三閉環調速控制系統則是在轉速電流雙閉環控制系統的基礎上再加一個轉矩閉環:轉速外環PI調節器產生轉矩參考量，然后比較轉矩參考量與實際量的偏差并作為輸入，接一個轉矩閉環PI調節器得到參考電流，與實際電流比較，再由電流滯環輸出PWM信號控制開關管調節電流偏差。

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上，將電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位［15］。

文獻［14］搭建定子雙饋電雙凸極電機(SDFDS，即DSEM)的SVPWM控制系統仿真模型，采用雙閉環控制系統。電樞繞組通電的兩相電流經過Clarke變換、Park變換得到d、q旋轉坐標系下的兩直流分量id和iq，與從轉矩控制器得到的給定分量進行比較，并輸入到d、q軸的PI調節器，從而得到設定值，再通過Park反變換后輸入到電壓矢量調制模型，得到輸出脈沖信號控制功率變換器［14－15］，調節電機的輸出轉矩。

模型仿真結果表明，在采用矢量控制的SDFDS電機調速系統中電機轉矩脈動減小，有較好的電流和轉速控制性能。

3 結 語

DSEM電機勵磁磁場易于調節，解決了DSPM電機磁場不可控的問題，但轉矩脈動問題依然存在。通過查閱大量相關文獻，就DSEM電機控制策略方面，本文總結了幾種減小轉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矩脈動，但也有缺陷。

根據轉矩方程知轉矩與相電流有關，因此需加必要的電流環控制，包括電流滯環跟蹤PWM法、諧波電流消去法、轉速電流雙閉環、轉速轉矩電流三閉環、SVPWM控制。雙環或三環控制法改善轉矩脈動要優于電流滯環單環調節;諧波消去法可以把轉矩脈動削弱到某一程度，但無法進一步改善。轉矩還與繞組自感、互感隨轉子位置變化率有關，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，輸出轉矩小，因此有必要優化角度控制，包括提前角度控制、提前開通滯后關斷控制、半橋控制等，彌補電流換相缺口。還有從控制轉矩方面來調節控制系統，如直接轉矩控制、轉矩內環控制、轉矩分配控制、三閉環控制等，但控制電路稍顯復雜。實驗及仿真結果表明，難以定論哪種方法更好，但多閉環控制比單環控制好，調速范圍也寬，動態性能好，再加上適當的開關管角度優化，能更好地改善轉矩脈動。如果考慮轉矩控制，控制電路也隨之復雜。隨著DSEM轉矩脈動問題相關研究的深入，相信會有更好的方法解決轉矩脈動問題。

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