刘爱民　娄家川　孙鹏

摘要：针对传统永磁直流电机中永磁体在高温高压下可能退磁并且不能调磁的问题，设计一种轴向线圈辅助磁阻型双凸极电机，并依据双凸极电机的运行原理，基于该电机的特殊结构和电感模型，在标准角度导通方式的基础上提出一种三相六状态角度导通方式。通过搭建双组功率逆变模块，利用中央辅助励磁线圈可增磁弱磁的原理，提出励磁电流转矩直接控制策略，通过控制换相时刻励磁电流的大小以实现励磁电流的自适应调节进而实现对输出转矩的控制。最终经过场-路耦合分析和实验分别验证控制方法的可行性和有效性，使电机运行更加平稳。

关键词：线圈辅助磁阻；三相六状态；转矩脉动；励磁线圈；励磁电流转矩直接控制

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中图分类号：TM 331

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

双凸极电机是基于开关磁阻电机发展而来并在近些年应用范围逐渐扩大的新结构电机。在过去二十多年国内外的发展中主要形成了3种形式的双凸极电机，即永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机和混合励磁双凸极电机。

永磁双凸极电机中附有永磁体，但是永磁体在高温和高压环境条件下存在退磁的现象，并且该电机不能实现调磁。而电励磁双凸极电机可以有效地解决调磁问题，近些年来，国内南京航空航天大学等多个单位设计了许多新型的电励磁双凸极电机，并对其控制方法进行了深入的研究，在三维非线性电感模型[1]的基础上，详细分析了电励磁双凸极电机的三相整流换相过程[2]，也提出了一些减小转矩脉动并提高电机性能的优化算法[3-5]。近年来，相比于采用先进算法，改善和优化双凸极电机的结构并采用全新的角度导通方式成为了新的研究方向。借鉴于传统开关磁阻电机的控制方式[6-8]，戴卫力等人[9]在标准角度控制的基础上提出了一种提前角度控制策略，增加了两相之间的换相重叠角，而刘星等人[10]在对三相三拍控制的研究基础上，提出了一种三相六拍控制策略。刘伟峰和王寅等人[11-12]随后又提出一种三相九状态控制策略，通过变换导通角和关断角提高了平均输出转矩的同时也有效抑制了齿槽转矩带来的转矩脉动，但是其对位置检测的精度要求更高。赵星[13]则通过一种反向串联的连接方式，保证了磁路的对称性，提高了轴向线圈辅助磁阻型双凸极电机（axial coil assisted reluctance doubly salient motor，CARDSM）转矩性能。

本文提出一种新型拓扑结构的轴向线圈辅助磁阻型双凸极电机，将从其特殊的机电能量转换机理出发，拟对CARDSM拓扑结构进行分析，并对其控制策略等关键基础问题进行深入研究，形成该类电机及其控制系统的完整理论体系和分析设计方法。再通过其特殊的定转子结构分析及其运行时的工作原理，考虑其中的电流换相过程及不同的负载特性。针对CARDSM输出转矩大的特性，在标准角度控制的基础上提出一种三相六状态运行方式，分析说明三相六状态运行方式实现了对转速和转矩的提高和优化，在这两种控制方式的基础上增加了中央辅助励磁线圈（简称励磁线圈）绕组电流转矩直接控制策略，通过转矩的反馈控制励磁线圈电流可以实现电机转速和转矩的快速调节，减小了转矩脉动，增大了调速范围并提高了电机的稳定性，最后经过仿真和实验分别对比分析两种控制方式和辅助励磁线圈对CARDSM的转速和转矩变化的影响，同时验证了新的控制方式对电机运行效果的提高。

1CARDSM拓扑结构及工作机理

1.1电机结构

CARDSM为三相9/6式结构，电机结构示意图如图1所示。与传统开关磁阻电机不同的是，CARDSM采用双绕组轴向励磁原理，其中绕组由定子侧电枢绕组和励磁线圈两部分组成，电枢绕组产生使电机实现正反转的主磁场，励磁线圈产生辅助磁场。图1中电机在给电枢绕组通电的情况下磁场通过导磁轴、双组定转子和机壳构成闭合回路，而给励磁绕组通电同样可以形成同上的轴向励磁磁路，在磁路不饱和的情况下对于电机转速和转矩有很大的调节作用。励磁线圈的作用可以类比于一永磁体，增加CARDSM的磁通量，但是与永磁体不同的是，通过控制励磁线圈电流的大小和方向可以明显扩宽电机的转速范围。而且由于双凸极电机在电动运行时存在转矩脉动大的问题，采用励磁线圈电流控制策略还可以降低转矩脉动以获得更平滑的电磁转矩和带载时的电机转速，对拓宽其应用范围有较大意义。

1.2数学模型

类比于其它双凸极电机，CARDSM的电压方程为

up=Rpip+d（ψpr+ψpe）dt。（1）

式中：up為相电压；Rp为相电阻；ip为相电流；ψpr为每相磁链；ψpe为励磁磁链。

电机的磁共能为

Wco（θ，i）=∫i0ψ（θ，i）di|θ=const.。（2）

电机的转矩为

T（θ，i）=Wco（θ，i）θi=const.。（3）

CARDSM的输出转矩主要是双组定转子电枢绕组产生的磁阻转矩，辅助线圈产生的转矩为辅助转矩，在高度耦合的情况下，由基本转矩表达式简化得到转矩方程为

Tp=Tpr+Tpe=12i2pdLpdθ±ipifdLpfdθ。（4）

式中：Tp为合成转矩；Tpr为磁阻转矩；Tpe为电枢绕组和励磁线圈产生的互感转矩；if为励磁电流；Lp为相自感；Lpf为互感[14]。由于可通入的励磁电流的方向不同，因此互感转矩亦存在正负。

低压起动和运行时，励磁电流产生的互感转矩占比较大故仍需计算，在高电压起动和运行情况下磁阻转矩很大，励磁线圈产生转矩相对较小可忽略。其相绕组自感三维曲面如图2所示，在双绕组同时通电情况下电机电感非线性度比传统磁阻电机更加复杂。

2CARDSM控制策略

2.1三相六状态控制机理

基于CARDSM的特殊结构以及非线性强耦合的特点，控制系统采用双组功率逆变模块如图3所示，电枢绕组采用半桥不对称电路控制三相电流，励磁线圈采用全桥电路，为了降低控制系统成本，双组逆变模块采用一个供电电源。在不同电压等级下，使得气隙磁通达到饱和时的励磁电流也不同，例如在相电压100 V的情况下，励磁电流达到8 A时气隙磁通达到饱和，因此电枢绕组侧电压、电流会比励磁线圈侧高出很多，在两组电路之间采用分压电阻降低励磁线圈侧电压和电流。图3中通过控制V7、V10或者V8、V9的同时导通控制励磁电流的方向，电流的大小可通过电流斩波和电压斩波控制调节。

为得到更大转矩，每一相绕组导通时间更长，在电感下降区不产生制动转矩，以定子齿中心线与转子槽中心线对齐的位置为0°，在线性条件下，关断角计算公式为

θoff=122πNr-βr+θu。（5）

其中：Nr是转子极数；βr是转子极弧；θu是最小电感位置。若取Nr=6，βr=30°，θu=θon=0°，得到的θoff=15°，但是定、转子极弧皆为30°，开通角应滞后一定角度，否则若给最近相通电，电机将不能实现自启动。若设置开通角θon=2°，θoff相应的应改为16°，每一相的导通角则为14°，在换相时存在较大的换相间隔，转矩和转速也会有较大波动。电流随电感的变化曲线如图4所示，与双凸极电机不同的是，由于导通角滞后电感的最小值，因此电流在峰值时比较平稳，不会产生过大的冲击电流。

电机起动时，规定旋转方向后，按表2导通规律，在A相定转子重合2°的位置，C相定转子重合22°，因此在2°到6°之间让A、C两相同时导通，在C相导通4°之后断电，不会在电感下降区产生制动转矩，增大起动转矩。

图5分别给出CARDSM在正反转情况下2种控制方式对比图，图中PA、PB、PC分别是三相定子位置，La、Lb、Lc为三相对应的电感。

为尽量减小制动转矩，每一相导通角会有略微减小，如在A相导通时导通角会减小2°，这样在B相刚导通时A相电流降为0，当A相定转子重合22°时再给A相通电，再转过4°后断电，以此类推在C相导通时也会如此，从而形成一种三相六状态导通方式，缩短换相间隔时间，减小转矩脉动。在200 V电压下三相六状态控制方式与标准角度控制方式形成的转矩对比图如图6所示，可以看出在三相六状态导通方式下整体转矩明显提升，特别是最低转矩有大幅提高，转矩脉动得到很大抑制。当电机达到高速采用角度位置控制时，三相六状态控制策略会根据转速和转矩的要求进行角度变化，以实现更好的转矩闭环控制和转速闭环控制。

2.2CARDSM励磁电流控制策略

由磁阻最小原理可知，辅助励磁线圈的加入可为CARDSM提供很大磁共能，和传统电励磁双凸极电机励磁绕组作用相似，为电机提供额外电能。因此，为减小转矩脉动提高转速，提出基于励磁电流的电流转矩直接控制策略，通过控制励磁电流提高电机稳定性。

通常励磁电流大小会是固定值，当通入不同大小励磁电流，考虑到自感和互感受电流大小影响，其值会有不同程度变化，如图7所示，在动态的标准角度导通模式下，当分别通入1 A、3 A和5 A励磁电流时相绕组自感最大值会逐渐下降而最小值会基本保持不变。相比于自感变化，相绕组和励磁线圈之间产生的互感变化则更明显。如图8所示，励磁电流同样分别通入1 A、3 A和5 A，互感最大值和最小值都有大幅度下降，斜率的绝对值明显减小，并且随着励磁电流增大，自感和互感波形呈现超前趋势。在加入恒定励磁电流之后，电机内部会产生恒定轴向励磁磁通，弥补漏磁，在换相时刻气隙磁通量更大，磁力线更加密集，电机转速和转矩都会进一步提高。

虽然三相六状态导通方式减小一定轉矩脉动，但换相过程中仍存在导通死区，即存在断相时刻，且在标准角度控制方式和三相六状态控制方式下通入产生与主磁场方向相同磁场的恒定励磁电流只是增加磁通量，弥补一定漏磁，转矩脉动仍然较大，为此采用励磁电流转矩直接控制策略，在给定转矩后由式（4）计算实时调节励磁电流。当没有相导通时随着转矩降低，增大励磁电流，增加磁能，而在有相导通时减小励磁电流，以此形成转矩如图9、图10所示。从图中可看出在标准角度控制模式下采用励磁电流转矩控制策略，转矩最低值提高了0.3 N·m，而在三相六状态导通方式下最低转矩值同样提升了0.3 N·m左右，前者的最值之差为0.7 N·m，后者的最值之差为0.4 N·m，在三相六状态导通方式下采用励磁电流转矩控制策略的转矩脉动更小。虽然转矩波动不能完全消除，但已有明显改善。

3系统实验研究

该系统的测试平台如图11所示。系统控制器以TMS320F28335DSP为核心，其3个ECAP口分别检测PA、PB和PC三相位置信号，换相信号由PWM1～PWM6输出口输出。A/D模块分别采样电枢绕组电压和励磁电流，不仅实现信号反馈还提供过压过流保护。EQEP口检测编码器边沿信号沿以便计算电机转速。为精确计算和控制IGBT导通角度，系统采用锁相分频电路将位置信号进行多倍分频后送至DSP。软件采用多重控制模式，根据不同时刻不同要求实现分段控制，在起动时可施加较小的电流斩波或电压斩波控制，以防止过高的起动电流对电路造成损坏。

4结论

本文研究了CARDSM及相应的控制策略，通过对CARDSM的详细分析、仿真及样机实验数据得出以下结论：

1）运用三维有限元方法对CARDSM的电磁特性进行分析，并通过对其运动原理的分析，在标准角度控制方式的基础上提出了三相六状态控制策略，有效地增加了电机的起动转矩，降低了转矩脉动；

2）通过对励磁线圈的控制，在不同的转速要求下可采用不同的电枢电压-励磁电流匹配方案。例如，在100 V电压下若想达到120 V时的转速可增大励磁电流而并非增加电枢电压。减小母线侧的电枢电压同时增大励磁电流可达到同等的转速要求，因此可以节约电能。采用励磁电流-转矩直接控制策略使CARDSM转速更加平稳，电机转矩脉动减小，调速范围加大。最后经过实验测试验证了本系统的稳定性和可靠性；

3）双组逆变模块的加入虽然提高了控制精度，但增加了控制系统的复杂性和成本，应用时还需根据实际要求进行衡量。

参 考 文 献：

[HT6SS]

[1]张乐，周波，方斯琛.基于三维非线性电感模型电励磁双凸极发电机系统建模的研究[J].中国电机工程学报，2006，26（23）： 126.

ZHANG Le，ZHOU Bo，FANG Sishen.Research on the double saileint electromagnetic generator based on theredimensional nonlinear inductance model[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（23）： 126.

[2]戴卫力，秦海鸿，郭鸿浩，等.电励磁双凸极发电机的三相整流换相过程分析[J].中国电机工程学报，2008，28（20）： 111.

DAI Weili，QIN Haihong，GUO Honghao，et al.Analysis of commutation in threephase rectifier of doubly salient electromagnetic generator[J].Proceedings of the CSEE，2008，28（20）：111.

[3]魏佳丹，周波.电励磁双凸极电机起动全过程励磁控制策略[J].南京航空航天大学学报，2014，46（4）： 538.

WEI Jiadan，ZHOU Bo.Flux control for start process of doubly salient electrical motor[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2014，46（4）： 538.

[4]邹治锐，陈世元.电励磁双凸极电机转矩脉动抑制的控制策略[J].微特电机，2013，41（1）：40.

ZOU Zhirui，CHEN Shiyuan.The control strategies of torque ripple suppression about doubly salient electrolmagnetic motor[J].Small & Special Electrical Machines，2013，41（1）：40.

[5]张乐，周波，张永帅，等.电励磁双凸极电机转矩脉动分析与抑制[J].中国电机工程学报，2010，30（3）： 83.

ZHANG Le，ZHOU Bo，ZHANG Yongshuai，et al.Analysis and suppression of torque ripple for doubly salient electromagnetic motor[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（3）：83.

[6]陈东锁，熊光煌.基于MATLAB/SIMULINK的开关磁阻电机的动态仿真模型[J].哈尔滨理工大学学报，2005，10（3）：128.

CHEN Dongsuo，XIONG Guanghuang.The dynamic model of switched reluctance drive system based on MATLAB/SIMULINK[J].Journal of Harbin University of Science and Technology，2005，10（3）：128.

[7]劉勇智，周政，盛增津，等.开关磁阻电机起动/发电状态切换控制策略研究[J].电机与控制学报，2015，19（10）： 57.

LIU Yongzhi，ZHOU Zheng，SHENG Zengjin，et al.Study of control strategy for status switching of switched reluctance starter/generator[J].Electric Machines and Control，2015，19（10）： 57.

[8]王喜莲，王旭东.开关磁阻电机角度最优控制[J].电机与控制学报，2006，10（6）： 588.

WANG Xilian，WANG Xudong.Angles optimal control of switched reluctance motor[J].Electric Machines and Control，2006，10（6）： 588.

[9]戴卫力，王慧贞，严仰光.电励磁双凸极电机的提前角度控制[J].中国电机工程学报，2007，27（27）： 88.

DAI Weili，WANG Huizhen，YAN Yangguang.Advanced angle control mode for electromagnetic doubly salient machine[J].Proceedings of the CSEE，2007，27（27）： 88.

[10]刘星，陈志辉，朱杰，等.电励磁双凸极电动机三相六拍控制策略研究[J].中国电机工程学报，2013，33（12）： 138.

LIU Xing，CHEN Zhihui，ZHU Jie，et al.Researches on the threephase sixstate control strategy of doubly salient electromagnetic motors[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（12）：138.

[11]刘伟峰，王慧贞，王逸洲，等.电励磁双凸极电机九状态控制策略的研究[J].微特电机，2016，44（9）：74.

LIU Weifeng，WANG Huizhen，WANG Yizhou，et al.Researches on ninestates control strategy of doubly salient electromagnetic motor[J].Small & Special Electrical Machines，2016，44（9）：74.

[12]王寅，张卓然，袁琬欣，等.双凸极无刷直流电机三相九状态控制策略研究[J].中国电机工程学报，2016，36（10）： 2808.

WANG Yin，ZHANG Zhuoran，YUAN Wanxin，et al.Researches on the threephase ninestate control strategy of doubly salient brushless DC machines[J].Proceedings of the CSEE，2016，36（10）：2808.

[13]赵星，周波，史立伟.一种新型低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机[J].中国电机工程学报，2016，36（15）：4249.

ZHAO Xing，ZHOU Bo，SHI Liwei.A novel electromagnet doubly salient brushless DC motor with minimum torque ripple[J].Proceedings of the CSEE，2016，36（15）： 4249.

[14]官文锋，陈志辉，陈明，等.双定子电励磁双凸极电机的起动控制[J].中国电机工程学报，2010，30（24）： 88.

GUAN Wenfeng，CHEN Zhihui，CHEN Ming，et al.Starting control of double stator fieldwinging doubly salient motor[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（24）： 88.

（編辑：邱赫男）