电励磁同极电机控制实验研究

薛晓川，王志强，李树胜

(1.中国船舶工业系统工程研究院 航空系统研究所，北京 100094;2.北京航空航天大学，北京 100191)

0 引 言

近年来，高速电机及其控制技术发展迅速,正成为国际电工领域的研究热点。其在节能型工业装备中的应用逐年快速增长，特别是航空发电机、储能飞轮、离心压缩机等领域对高速电机的需求日益迫切，越来越受到工业界的青睐[1]。但它的发展仍然受到高速电机旋转铁耗大、转子结构强度鲁棒性差等关键技术难题的限制。

电励磁式同极电机不同于传统的永磁同步电机，主要体现在如下两方面：转子部分不含永磁体、护套及绕组，为整体的实心结构，转子结构鲁棒性强，能够保证转子在高转速下可靠稳定地运行；固定在定子部分的励磁线圈沿转子周向绕制，其励磁磁场沿转子周向无磁极交变而仅有幅值的变化，可以有效地减小旋转铁耗[2]。

本文介绍了一种电励磁同极电机的机械结构设计过程，阐述了其基本工作原理。通过建立含有定子电感方程的三相电机模型，对其数学特性进行理论分析。制定了基于反电动势过零点检测法的无位置传感器电机控制策略，在MATLAB/Simulink环境下对控制系统进行仿真分析;对电励磁同极电机系统进行了实验验证。结果表明系统具有较好的静、动态特性，验证了控制方法的合理性和可行性。

1 电机结构设计与机理分析

本文的电励磁同极旋转电机由定子部分、转子部分及其它相关组件构成，转子采用角接触机械轴承支撑，保证其稳定高速运转。电机的整体装配剖面图如图1(a)所示，为便于显示其结构特征，转子部分并未进行剖面显示。样机实物图如图1(b)所示。

(a) 电机装配剖面图

(b) 样机整体实物图

转子部分为40CrNiMoA材料的实心转子结构，其特征如下：端部凸、凹极均匀分布，且上下部分呈反对称式结构[3]；任一端部凸、凹极各占45°，沿转子圆周均匀分布。其结构示意图如图2所示。励磁部分固定在电机定子上，在其中部沿转子周向绕制。通入两相直流电流，产生的磁势从转子一端经由DT4环、气隙回到转子另一端，形成闭合磁回路，使转子上下端部磁极极性相反，磁路示意图如图3所示。励磁磁场沿转子周向无磁极极性交变，只有磁场强弱的变化。磁场强弱由励磁线圈中电流大小和线圈匝数共同决定。

图2 转子结构示意图

图3 励磁磁路示意图

定子部分选取变频圆铜线作为电枢绕组，沿转子周向均匀固定在绝缘套筒上，其实物图如图4所示。通过从电枢绕组中注入三相电流，产生空间旋转磁场，转子凸极感受电磁力实现连续旋转。电励磁同极电机的结构与电气参数如表1所示。电机定子剖面图如图5所示。

图4 电枢绕组实物图

图5 电机定子剖面图

整机参数转子参数定子参数励磁参数机壳材料6063-t5转子材料40CrNiMoA电枢材料变频线磁环材料DT4-E磁间隙g/mm4.0直径dr/mm90绕组直径ds/mm1.06磁导率μ/(H·m-1)≥0.011 3机壳体积V/mm3200×200×230长度lr/mm213额定电流is/A3.5线圈匝数Ne1 800总体质量m/kg19转子质量mr/kg5.98定子匝数Ns15线圈电流Ie/A2

对电励磁同极电机的工作原理作简要分析。以电流流向A-C为例，如图6(a)所示，上端转子的磁极极性为N；A相绕组电流为顺时针方向，电枢磁场方向为S极朝内，上端转子凸极感受电磁力，带动转子顺时针旋转[4]。同理，下端转子凸极受C相电流的电磁力方向如图6(b)所示。通过控制三相绕组两两顺序导通，实现转子的顺时针连续旋转。

(a) 上端定、转子示意图

(b) 下端定、转子示意图

2 电机数学模型与控制策略

对于本文的电励磁同极电机，由转子形状和气隙磁场决定其反电动势为梯形波。采用直轴、交轴坐标变换已不是一种有效方法，因此采用电机本身的相变量来建立同极电机的数学模型[5]。建立的定子三相坐标系如图7所示。

图7中，as，bs，cs为三相定子坐标轴，A-A′，B-B′，C-C′为三相定子绕组。ψe为励磁磁链矢量，与坐标系平面呈α夹角；ψe0为ψe在坐标平面内的投影，与as轴呈θ夹角。设定转子转速ωr为逆时针方向，可以得到同极电机在定子三相坐标系下的定子电压方程：

图7 三相定子坐标系示意图

(1)

对于实际系统而言，利用电机的线电压进行计算是相对简便的。假设磁路不饱和，且定子三相绕组完全对称，则可得到：

(2)

将式(2)代入式(1)可得：

(3)

式中：UAB，UBC，UCA为定子三相绕组线电压；ωr为转子转速；KEA，KEB，KEC为反电动势系数，即单位转速下的感应电动势。

电机在A，B，C三相坐标系下的定子磁链方程：

(4)

外加励磁磁场和定子电流相互作用产生的电磁转矩方程和电机的运动方程如下：

Te=KEAiA+KEBiB+KECiC

(5)

(6)

3 控制系统仿真分析

目前，在大部分电机控制场合中，多使用电子或电磁式传感器来检测转子位置，如霍尔传感器、光电码盘等，简化电机控制过程的同时，也增加了维护成本，且安装精度较高[6]。无位置传感器控制方法因其简单的结构和较低的成本，正在逐渐成为电机控制领域的研究热点。

本文的电励磁同极电机，由转子形状与气隙磁场共同作用，电枢绕组的感应反电动势为梯形波，这一特性与传统的无刷直流电动机相一致。将反电动势的过零点信号延迟30°电角度，进而得到相应各开关管的换相时刻，实现同极电机的无位置传感器控制。

采用反电动势过零点检测法，在MATLAB/Simulink环境下搭建控制系统仿真模型,系统框图如图8所示。采用上桥臂PWM，下桥臂恒通的策略，由于是在PWM 关断的期间进行过零检测，可以避免高频噪声的干扰。检测到反电动势过零点后，延迟30°得到需要的电机换相点,电机的起动方式采用三段式起动：转子定位、加速运行和自同步切换[6]。完成转子预定位后，提高电机电压，直到可以检测到反电动势过零点，即可切换到自同步状态。

图8 无位置传感器电励磁同极电机控制系统模型

图9为电机处于加速状态时的逆变器门极输入调制信号波形。图10从上到下分别为电机从加速到稳速状态时对应A相绕组的相电流，反电动势和过零点检测信号波形。结果显示在电机空载起动阶段，相电流经过短时间振荡逐渐达到稳态，0.2 s加入负载，系统快速响应并在短时间内达到稳态。反电动势波形为经过二阶滤波后得到的梯形波，且Zcp能够可靠地检测对应反电动势过零点，提供正确的换相信息。

图9 逆变器门极调制信号

图10 A相电流、反电动势和Zcp信号波形

图11显示了给定转速15 000 r/min时输出转速曲线。从图11中可以看出，0.05 s以前转子处于预定位状态，0.06 s后开始切换到自同步状态。采用速度计算模块得到的转速信号作为速度反馈信号，导致转速曲线在系统达到稳态时存在微小脉动。

图11 电机输出转速曲线

仿真结果表明，通过端电压反电动势检测法，得到过零点信号并延迟30°电角度，可获取正确的换相信息[7]。可以有效地实现电机系统的无位置传感器控制，验证了模型的正确性和方法的可行性。

4 电机系统实验验证

搭建电励磁同极电机控制系统的软硬件实验平台，主要包括4部分：1.2 kW电励磁同极电机、以TMS320F28335为核心的电机控制与驱动系统(含直流母线电源)、励磁电源与控制上位机。系统实物图如图12所示。电机样机的电气参数如表2所示。

图12 电机控制实验平台

参数数值参数数值电机功率Pn/kW1.2相电阻Rs/Ω1.3额定电压U0/V380额定转速n0/(r·min-1)7 000相电感Ls/mH0.43额定电流I0/A2.4

对电励磁同极电机控制系统进行开环起动实验与速度闭环控制升速实验，以校核基于反电动势过零点检测法合理性与仿真模型的正确性。电机开环起动采用软件三段式起动方式，类似于步进电机。首先由程序控制给预定两相定子绕组通电，使电机定子合成磁势轴线在空间定向，把转子转动到预定位置，然后按事先设定的转子位置6状态表得到通电相序，给相应绕组导通，起动电机[8]。重复以上过程，直至能够检测到反电动势信号为止。图13为上、下桥臂的PWM信号控制波形，图14为定子三相反电动势与6状态换相信号波形。

图13 PWM信号控制波形

图14 三相反电动势与

通过检测非导通相的端电压再与中点电压进行比较，就能够准确得到反电动势过零点；将反电动势过零点信号延迟30°电角度，得到6个离散的转子位置信号[10]，提供正确的换相信息。因此在进行电机的6拍换相控制之前，需要30°电角度延迟对应换相点的确切延迟时间。该软件实现如下式：

(7)

式(7)中，T是转子完成前一次旋转所需的时间，α是期望的延迟角。通过将α除以360°，乘以T的结果，得到在下一个相位对前进行转换所需的时间。在代码中，这个延迟角固定在30°。图15为电励磁同极电机从静止逐渐升速到7 000 r/min的升速波形图。从图15可以看出，电机能够较快地从静止加速到额定转速，且转速波形平稳，稳速时抖动较小，验证了系统的可行性和方法的正确性。

图15 某转速电机升速波形图

5 结 语

基于改善传统高速永磁电机旋转铁耗与转子强度的目的，提出了一种电励磁同极电机的概念模型，完成了该电机样机的机械、电磁设计与实现，在三相定子坐标系下建立其数学模型，并对无位置传感器电机控制系统进行仿真。最后以电励磁同极电机为控制对象，搭建了以TMS320F28335为核心的系统控制平台，编写了基于反电动势过零点检测换相的电机控制系统程序，完成实验验证。实验验证了电机系统的可行性和控制方法的有效性，对高速电机的结构改进与控制应用提供了一种新的思路。