六相橫向磁通電機控制策略研究

鮑 鵬，蔡睿眸

應用研究

六相橫向磁通電機控制策略研究

鮑 鵬1，蔡睿眸2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 廣船國際有限公司，廣州 511464）

橫向磁通電機以其獨有的結構特點，實現電動機各繞組每相之間獨立隔離。本文重點研究六相橫向磁通電機控制策略，基于一種改進的各相繞組每相獨立控制方法，有效實現了各相繞組之間獨立隔離，抑制了由各相間的相位和大小偏差引起的電機電流波動。

六相橫向磁通電機 轉矩密度 獨立控制

0 引言

電力橫向磁通永磁電機(TFPMM)既保留了橫向磁通高轉矩密度的特點，同時結合了永磁電機高效率、高功率因數的特點，受到各國研究者的廣泛關注。針對橫向磁通電機使用場合不同，各國已研制了多種樣機，填補了橫向磁通電機研究領域的空白。德國于1988年率先研制了首臺45kW 橫向磁通永磁電機樣機，1999年又將TFPMM作為電動車發展優選部件之一。英國羅爾斯羅伊斯公司(Rolls-Royce)制造的橫向磁通樣機采用了聚磁雙邊結構，在體積增加較少的情況下獲得了加倍的轉矩。瑞典皇家技術學院的樣機三相布置在同圓周上，結構簡單，易于加工，但是沒有采用聚磁結構，它的功率因數與轉矩密度較低[1-4]。國內雖開展相關研究起步較晚，但目前已有不少樣機研制成功，取得了不俗的成果。蘭州理工大學、沈陽工業大學、華中科技大學、中船重工第七一二研究所在橫向磁通電機方面做出探索研究。

1 系統配置及控制方法

1.1 系統配置

本項目組設計制造了一臺200 kW六相橫向磁通永磁電機（雙三相互差30°），電機參數見表1。磁通方向與轉子旋轉方向垂直的電動機稱為橫向磁通電動機。目前大多數TFM采用永磁材料，這樣的TFM又可稱為永磁橫向磁通電動機(TFPMM)。上述定義較為抽象，但我們可以根據其描述，得知它有別于其他類型電動機的特征：

1）電動機各相定子繞組之間完全獨立，因此可以不考慮由相間電磁耦合引起的分布參數問題；

2）電機磁場路徑可以實現真正意義上的三維建模；

3）電機定子繞組由其線圈及特定配套的鐵芯組合而成，與傳統電機相比更利用獨立控制；

4）基于集中式的轉子磁通設計，可以在定轉子繞組間形成穩定的高氣隙磁密；

5）在電機本體設計中可更優化設計線圈及磁路結構尺寸。

表1 橫向磁通電機參數

傳統電機采用徑向磁通設計，但對于低速和尺寸需求較小的情況下，其比轉矩無法滿足要求。因此，橫向磁通電機(TFM)成為了更好的選擇，其主要優缺點如下：

1）在一定轉速下，TFM 的功率隨極對數增加而增加，且其極對數能做到相對較大的數值；

2）相比較來說，TFM的轉矩密度更大，這使其能在低速運行時仍保持高效率和大轉矩的輸出；

3）若想實現TFM轉矩最大化的要求，其總功率需求增多，電機功率因數隨之減小；

4）由于TFM的設計制造技術有待提高，因此目前安裝較為復雜，制造難度大。

根據上述第3）條特點可知，雖然TFM的轉矩密度可以達到徑向電機的幾倍，但其功率因數與轉矩密度的矛盾成為制約其發展的因素[5]。

1.2 三相橫向磁通電機改進各相獨立控制

本文研制的TFM結構為：采用模塊化設計，基于許多個小功率電機模塊，每個模塊只需一組集中式繞組，且各相繞組之間實現了完全的電磁獨立，每個模塊由一相或多相組合而成，方便控制，不需要額外地引入電機換相裝置。

對各相繞組進行獨立控制時，實際上就是對多個單相電機進行控制。一般情況下，可選擇的控制策略如下：

1）轉速環與電流跟蹤型控制。但由于電流跟蹤控制會影響開關器件的開關頻率，因此很少在中、大功率變換器中采用該方法。

2）雙閉環控制。其中外環為轉速環，內環為電流環。此時，電流環控制可以采用兩種方法：第一種是只需PI調節器的介入即可，但其對交變量誤差的調節效果并不明顯，穩態時電流將存在靜差。第二種是利用電流環在旋轉坐標系下的軸電流分量進行PI調節，此方法一般應用于三相電機系統中。但由于橫向磁通電機的控制相當于對多個單相電機進行控制，而只有一相電量是無法直接進行旋轉坐標變換的。因此，需要找尋相應方法，使其在單相的旋轉坐標系下，實現電流的閉環控制。

根據本文研究，建立了各相獨立控制的控制框圖，如下圖：

圖1 橫向磁通電機控制框圖

仿真結果如下：

圖2 三相電流仿真圖

根據上述控制框圖，由仿真結果可知，三相電流得到了完全的解耦控制。但是，經過了1s/2r的坐標變換，生成的軸參數中含有豐富的交流信號，如下圖所示，在仿真中，該交流信號可以用較大的控制參數進行抵消，但實際工程使用過程中，這種控制參數的設置不符合實際的，因此不能直接將此方法用于實際控制中，需對該方法加以改進，使電機系統能滿足實際工程需求。

圖3 d、q軸交流信號仿真圖

2 三相橫向磁通電機的改進各相獨立控制

2.1 常見單相系統旋轉坐標變換原理（1/4周期延遲等效法）

運用旋轉坐標變換的方法，設電機中任一單相正弦量(t)，三角函數變換后得式(1)：

()=Xcos(0-)=Xcoscos(0)+Xsinsin(0) (1)

在上式基礎上，我們令：

由式(1)和(2)可知，在單相系統中，若想解決穩態電流存在靜差的問題，需要求解一個直流量，通過調整PI調節器的參數，將該直流量抵消后，即可實現無靜差的調節效果。其一般解決方法為：基于Park變換，在兩相靜止坐標系中引入虛擬向量，可以實現電機交流電流等效為旋轉坐標系中的直流分量。

2.2 三角函數法

本文所述的三角函數法，首先引入虛擬的靜止分量，然后在永磁電機的前提下，建立、、及軸，這里定義軸超前軸90°，軸超前軸90°。

()=Xcos(+)=Xcoscos- Xsinsin(3)

同3.1節中描述一致，令：

由式(5)得到：

令軸同向，可得下式：

X=x()=Xcos(+)=﹣Xsin

X Xsin(+)= Xcos(7)

需要注意的是，當采用i≠ 0的控制方式時，盡管檢測到的i*不為0，但并不與設定值相吻合，即和i*的設定不吻合。因此，為了更好實現控制功能，實際上通過調整，仍用i=0控制方式來實現。仿真結果如下圖所示：

圖4 三角函數法控制時電流仿真圖

各相電流平衡，實現了三相的完全解耦，且各相的分量是直流量，便于數字化實現，如下圖：

圖5 d、q軸電流分量仿真圖

圖中的分量尖刺是在進行數字實現時，函數限幅所導致的，其趨勢是直流量，便于各通道的獨立控制。

因此，必須對ctan函數進行限幅，從仿真的結果看，正限幅在[2,10]取值均符合上述仿真結果。

圖6 d、q軸電流分量尖刺圖

分量的尖刺來源于分量在波谷和波峰處的0值尖刺，如圖6所示。

去除尖刺采用的常用方法為平均值法。但由于該尖刺為脈沖干擾所導致的，如果不對平均值法加以改進則會把干擾平均到結果中去，不能夠較好的消除其產生的誤差。為此，通常先去掉數據中的最大值和最小值，然后計算剩余數據的算術平均值，就可以解決尖刺問題，然而，平均值法的使用也有自身的局限性：

1）分量為交流信號，而防脈沖干擾平均值濾波是對交流量進行濾波，會改變信號的幅值和相位；

2）、軸分量是直流量，在穩態系統中，可以選擇用平均值濾波法去除尖刺，但電機是在動態運行過程中，該濾波方法會延遲反饋值，影響電機的動態性能。

由此可見，上述缺點嚴重的限制了三角函數法在橫向磁通電機中控制的使用。

2.3 改進型三角函數法

本文基于上述理論，對三角函數法進行改進。根據上述討論可知，XX可由X的三角函數來表示，即：

通過等式變換，可得：

因此，僅當sin較大時，我們需要重新計算X的大小。即當∈[π/2-Δ, π/2+Δ]或者∈[3π/2-Δ, 3π/2+Δ]時，求X再由X=Xcos得到X。

圖7 改進型三角函數法仿真圖

之后通過變換求得X，X的值為：

d、q分量如下：

利用id=0控制策略時，橫向磁通電機各相輸出電流如圖9所示。從輸出電流結果可以看出，改進型三角函數法能夠對橫向磁通電機起到很好的控制作用，同時也彌補了三角函數法的缺點。

圖9 改進型三角函數法電流仿真圖

3 結論

本文通過仿真分析，基于一個200kW橫向磁通永磁電機，采用改進的三角函數法，實現了橫向磁通永磁電機各相繞組之間獨立控制，達到各相繞組獨立隔離的目的，抑制了由各相間的相位和大小偏差引起的電流波動。與傳統電機相比，在電機本體結構設計時更有優勢。

[1] Mitcham A j. Transverse flux motors for electric propulsion of ships[C]. Conference of IEE, London, UK, 1997.

[2] French C D, Hodge C, Husband M. Optimised torque control of marine transverse-flux propulsion machines[C]. Conference of IEE, Bath, UK, 2002.

[3] Payne B S, Husband S M, Ball A D. Development of condition monitoring techniques for a transverse flux motor[C]. Conference of IEE, Bath, UK, 2002．

[4] 劉哲民, 陳謝杰, 陳麗香, 王秀和, 唐任遠. 基于3D-FEM的新型橫向磁通永磁電機的研究[J]. 電工技術學報, 2006, 05: 19-23.

[5] 李亞旭. 橫向磁通電機拓撲結構初析[J]. 船電技術, 2003, 23(1): 8-12.

[6] 肖漢, 曾岳南, 唐雄民. 基于旋轉坐標變換的單相電壓型PWM整流器系統仿真[J]. 通信電源技術, 2009, 26(05): 43-46.

Research on control strategy for six phase transverse flux motor

Bao Peng1, Cai Ruimou2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Guangzhou Shipyard international Company Limited, Guangzhou 511464, China)

TM351

A

1003-4862（2022）04-0041-05

2021-08-09

鮑鵬（1992-），男，工程師。研究方向：船舶電力推進系統。E-mail:134014560@qq.com