電勵(lì)磁同極電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)研究

薛曉川，王志強(qiáng)，李樹勝

(1.中國(guó)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(xué)，北京 100191)

0 引 言

近年來，高速電機(jī)及其控制技術(shù)發(fā)展迅速,正成為國(guó)際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其在節(jié)能型工業(yè)裝備中的應(yīng)用逐年快速增長(zhǎng)，特別是航空發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能飛輪、離心壓縮機(jī)等領(lǐng)域?qū)Ω咚匐姍C(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)鐵耗大、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度魯棒性差等關(guān)鍵技術(shù)難題的限制。

電勵(lì)磁式同極電機(jī)不同于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)，主要體現(xiàn)在如下兩方面：轉(zhuǎn)子部分不含永磁體、護(hù)套及繞組，為整體的實(shí)心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)魯棒性強(qiáng)，能夠保證轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下可靠穩(wěn)定地運(yùn)行；固定在定子部分的勵(lì)磁線圈沿轉(zhuǎn)子周向繞制，其勵(lì)磁磁場(chǎng)沿轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鐵耗[2]。

本文介紹了一種電勵(lì)磁同極電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)模型，對(duì)其數(shù)學(xué)特性進(jìn)行理論分析。制定了基于反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法的無位置傳感器電機(jī)控制策略，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析;對(duì)電勵(lì)磁同極電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明系統(tǒng)具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了控制方法的合理性和可行性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)理分析

本文的電勵(lì)磁同極旋轉(zhuǎn)電機(jī)由定子部分、轉(zhuǎn)子部分及其它相關(guān)組件構(gòu)成，轉(zhuǎn)子采用角接觸機(jī)械軸承支撐，保證其穩(wěn)定高速運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的整體裝配剖面圖如圖1(a)所示，為便于顯示其結(jié)構(gòu)特征，轉(zhuǎn)子部分并未進(jìn)行剖面顯示。樣機(jī)實(shí)物圖如圖1(b)所示。

(a) 電機(jī)裝配剖面圖

(b) 樣機(jī)整體實(shí)物圖

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

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 勵(lì)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(zhuǎn)子周向均勻固定在絕緣套筒上，其實(shí)物圖如圖4所示。通過從電樞繞組中注入三相電流，產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子凸極感受電磁力實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。電勵(lì)磁同極電機(jī)的結(jié)構(gòu)與電氣參數(shù)如表1所示。電機(jī)定子剖面圖如圖5所示。

圖4 電樞繞組實(shí)物圖

圖5 電機(jī)定子剖面圖

整機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)子參數(shù)定子參數(shù)勵(lì)磁參數(shù)機(jī)殼材料6063-t5轉(zhuǎn)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(dǎo)率μ/(H·m-1)≥0.011 3機(jī)殼體積V/mm3200×200×230長(zhǎng)度lr/mm213額定電流is/A3.5線圈匝數(shù)Ne1 800總體質(zhì)量m/kg19轉(zhuǎn)子質(zhì)量mr/kg5.98定子匝數(shù)Ns15線圈電流Ie/A2

對(duì)電勵(lì)磁同極電機(jī)的工作原理作簡(jiǎn)要分析。以電流流向A-C為例，如圖6(a)所示，上端轉(zhuǎn)子的磁極極性為N；A相繞組電流為順時(shí)針方向，電樞磁場(chǎng)方向?yàn)镾極朝內(nèi)，上端轉(zhuǎn)子凸極感受電磁力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)[4]。同理，下端轉(zhuǎn)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?qū)?，?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

(a) 上端定、轉(zhuǎn)子示意圖

(b) 下端定、轉(zhuǎn)子示意圖

2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型與控制策略

對(duì)于本文的電勵(lì)磁同極電機(jī)，由轉(zhuǎn)子形狀和氣隙磁場(chǎng)決定其反電動(dòng)勢(shì)為梯形波。采用直軸、交軸坐標(biāo)變換已不是一種有效方法，因此采用電機(jī)本身的相變量來建立同極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[5]。建立的定子三相坐標(biāo)系如圖7所示。

圖7中，as，bs，cs為三相定子坐標(biāo)軸，A-A′，B-B′，C-C′為三相定子繞組。ψe為勵(lì)磁磁鏈?zhǔn)噶?，與坐標(biāo)系平面呈α夾角；ψe0為ψe在坐標(biāo)平面內(nèi)的投影，與as軸呈θ夾角。設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr為逆時(shí)針方向，可以得到同極電機(jī)在定子三相坐標(biāo)系下的定子電壓方程：

圖7 三相定子坐標(biāo)系示意圖

(1)

對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)而言，利用電機(jī)的線電壓進(jìn)行計(jì)算是相對(duì)簡(jiǎn)便的。假設(shè)磁路不飽和，且定子三相繞組完全對(duì)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；KEA，KEB，KEC為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，即單位轉(zhuǎn)速下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

電機(jī)在A，B，C三相坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程：

(4)

外加勵(lì)磁磁場(chǎng)和定子電流相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方程和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(jī)控制場(chǎng)合中，多使用電子或電磁式傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，如霍爾傳感器、光電碼盤等，簡(jiǎn)化電機(jī)控制過程的同時(shí)，也增加了維護(hù)成本，且安裝精度較高[6]。無位置傳感器控制方法因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較低的成本，正在逐漸成為電機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文的電勵(lì)磁同極電機(jī)，由轉(zhuǎn)子形狀與氣隙磁場(chǎng)共同作用，電樞繞組的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，這一特性與傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)相一致。將反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)信號(hào)延遲30°電角度，進(jìn)而得到相應(yīng)各開關(guān)管的換相時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)同極電機(jī)的無位置傳感器控制。

采用反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)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(guān)斷的期間進(jìn)行過零檢測(cè)，可以避免高頻噪聲的干擾。檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后，延遲30°得到需要的電機(jī)換相點(diǎn),電機(jī)的起動(dòng)方式采用三段式起動(dòng)：轉(zhuǎn)子定位、加速運(yùn)行和自同步切換[6]。完成轉(zhuǎn)子預(yù)定位后，提高電機(jī)電壓，直到可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，即可切換到自同步狀態(tài)。

圖8 無位置傳感器電勵(lì)磁同極電機(jī)控制系統(tǒng)模型

圖9為電機(jī)處于加速狀態(tài)時(shí)的逆變器門極輸入調(diào)制信號(hào)波形。圖10從上到下分別為電機(jī)從加速到穩(wěn)速狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)A相繞組的相電流，反電動(dòng)勢(shì)和過零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)波形。結(jié)果顯示在電機(jī)空載起動(dòng)階段，相電流經(jīng)過短時(shí)間振蕩逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)，0.2 s加入負(fù)載，系統(tǒng)快速響應(yīng)并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。反電動(dòng)勢(shì)波形為經(jīng)過二階濾波后得到的梯形波，且Zcp能夠可靠地檢測(cè)對(duì)應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，提供正確的換相信息。

圖9 逆變器門極調(diào)制信號(hào)

圖10 A相電流、反電動(dòng)勢(shì)和Zcp信號(hào)波形

圖11顯示了給定轉(zhuǎn)速15 000 r/min時(shí)輸出轉(zhuǎn)速曲線。從圖11中可以看出，0.05 s以前轉(zhuǎn)子處于預(yù)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(jì)算模塊得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)作為速度反饋信號(hào)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速曲線在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)存在微小脈動(dòng)。

圖11 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線

仿真結(jié)果表明，通過端電壓反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法，得到過零點(diǎn)信號(hào)并延遲30°電角度，可獲取正確的換相信息[7]?？梢杂行У貙?shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的無位置傳感器控制，驗(yàn)證了模型的正確性和方法的可行性。

4 電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建電勵(lì)磁同極電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括4部分：1.2 kW電勵(lì)磁同極電機(jī)、以TMS320F28335為核心的電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(含直流母線電源)、勵(lì)磁電源與控制上位機(jī)。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖12所示。電機(jī)樣機(jī)的電氣參數(shù)如表2所示。

圖12 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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

對(duì)電勵(lì)磁同極電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)起動(dòng)實(shí)驗(yàn)與速度閉環(huán)控制升速實(shí)驗(yàn)，以校核基于反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)法合理性與仿真模型的正確性。電機(jī)開環(huán)起動(dòng)采用軟件三段式起動(dòng)方式，類似于步進(jìn)電機(jī)。首先由程序控制給預(yù)定兩相定子繞組通電，使電機(jī)定子合成磁勢(shì)軸線在空間定向，把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置，然后按事先設(shè)定的轉(zhuǎn)子位置6狀態(tài)表得到通電相序，給相應(yīng)繞組導(dǎo)通，起動(dòng)電機(jī)[8]。重復(fù)以上過程，直至能夠檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)為止。圖13為上、下橋臂的PWM信號(hào)控制波形，圖14為定子三相反電動(dòng)勢(shì)與6狀態(tài)換相信號(hào)波形。

圖13 PWM信號(hào)控制波形

圖14 三相反電動(dòng)勢(shì)與

通過檢測(cè)非導(dǎo)通相的端電壓再與中點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，就能夠準(zhǔn)確得到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)；將反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)延遲30°電角度，得到6個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)[10]，提供正確的換相信息。因此在進(jìn)行電機(jī)的6拍換相控制之前，需要30°電角度延遲對(duì)應(yīng)換相點(diǎn)的確切延遲時(shí)間。該軟件實(shí)現(xiàn)如下式：

(7)

式(7)中，T是轉(zhuǎn)子完成前一次旋轉(zhuǎn)所需的時(shí)間，α是期望的延遲角。通過將α除以360°，乘以T的結(jié)果，得到在下一個(gè)相位對(duì)前進(jìn)行轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。在代碼中，這個(gè)延遲角固定在30°。圖15為電勵(lì)磁同極電機(jī)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(jī)能夠較快地從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速波形平穩(wěn)，穩(wěn)速時(shí)抖動(dòng)較小，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和方法的正確性。

圖15 某轉(zhuǎn)速電機(jī)升速波形圖

5 結(jié) 語

基于改善傳統(tǒng)高速永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)鐵耗與轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的目的，提出了一種電勵(lì)磁同極電機(jī)的概念模型，完成了該電機(jī)樣機(jī)的機(jī)械、電磁設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在三相定子坐標(biāo)系下建立其數(shù)學(xué)模型，并對(duì)無位置傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。最后以電勵(lì)磁同極電機(jī)為控制對(duì)象，搭建了以TMS320F28335為核心的系統(tǒng)控制平臺(tái)，編寫了基于反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)換相的電機(jī)控制系統(tǒng)程序，完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)系統(tǒng)的可行性和控制方法的有效性，對(duì)高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與控制應(yīng)用提供了一種新的思路。