四相电励磁双凸极电机静止转子位置检测研究

2018-10-20史文斌马成松

微特电机 2018年10期

赵耀，邢磊，潘捷，史文斌，马成松

(1.上海电力学院，上海 200090；2.上海东海风力发电有限公司，上海 200433)

0 引言

电励磁双凸极电机(以下简称DSEM)结合了永磁电机和开关磁阻电机的特点，其定转子上无永磁材料，仅靠励磁电流调节磁场，转子上无绕组，结构简单，适用于航空航天等场合。DSEM基本特性和控制方法已经得到了学者们的广泛研究[1-8]，其中包括转矩脉动抑制控制策略[2-3]，本体结构设计[4-6]，容错结构设计[7]，铁损研究[8]等。然而DSEM电动或起动发电运行时位置传感器的引入增加了系统的复杂程度，限制了电机的应用范围。无位置传感器技术作为一种新颖的电机控制技术而被广泛应用于航空航天、工业信息等各个领域的研究中。它能够提高电机系统的集成度，增强系统的高速性、适应性、抗干扰性、可靠性，为电机在高速、高温、强磁场等位置传感器容易受到干扰的场合的应用提供了选择。因此，DSEM无位置传感器技术的研究具有重要的理论和应用价值。

目前，针对DSEM无位置传感器技术的研究还处于起步阶段，考虑到DSEM与开关磁阻电机的结构类似，两者的数学模型也较为接近，因而对开关磁阻电机初始位置检测技术的研究具有借鉴价值。开关磁阻电机的三相电感随转子位置变化而变化，利用这一特点，注入脉冲法得到了广泛的研究[9-12]。然而开关磁阻电机各相独立控制，且没有励磁绕组，电磁特性与DSEM不尽相同。DSEM同一时刻两个绕组同时导通，现有的DSEM无位置传感器技术的研究主要是根据串联自感随转子位置变化而变化的规律而实现的。

文献[13]首先在励磁磁场建立阶段判断转子位置区域，然后将励磁绕组和电枢绕组间的互感线性化，通过互感矩形三角几何关系判断精确的转子位置；也对起动时第一个加速脉冲宽度做了理论分析，确保电机无迟滞起动。文献[14]提出了一种利用非导通相电压和阈值之间的关系判断换相点，阈值通过换相点处励磁反电动势特征来预先获得；同时将换相信号提前一定角度来降低电机转矩脉动。该方法需要提前获取电机电磁特性，但能够将无位置控制与传统的提前角控制有机结合起来。文献[15]对永磁双凸极电机的初始位置检测技术进行了研究，通过定子绕组电感的特性完成位置判断。文献[17]提出了一种控制注入脉冲时间来完成电机加速和位置检测双重功能的电机起动无位置法，该方法首先注入起动脉冲，然后注入一小段检测脉冲判断换相位置，但该方法时间控制不好会导致电机振动甚至起动失败。文献[18]提出一种基于电机线电压的无位置起动法，该方法预先根据转速和励磁电流的大小设置换相点的线电压阈值，将检测到的线电压与阈值比较判断换相位置，该方法避免了中性点带来的负面影响，容易实现。文献[19]提出一种基于端电压坐标变换的电机无位置运行法，该方法检测三相电机端电压经过坐标变换后，非导通相端电压过零点即为电机换相点。

这些方法都有各自的应用范围，本文以8/6极DSEM为研究对象，如图1所示，并以图示的转子位置作为0°电角度位置。采用四相全桥的驱动电路，如图2所示。

图1四相DSEM截面图

图2四相全桥驱动电路

针对电机静止时初始位置判断的问题，利用电机四相电枢绕组自感随不同的转子位置变化的原理，对注入脉冲检测端电压法进行研究。在考虑励磁绕组产生的齿槽转矩影响的情况下，通过理论与实验分析了该方法的优缺点。研究结果表明，该方法无需提前获取电机电磁数据，无需任何额外硬件资源，容易实现，移植性和通用性强。

1 四相DSEM基本特性

四相DSEM的定转子关系是8N/6N结构，其中8N代表定子极数，6N代表转子极数，N是正整数。从图1可以看出，其定子圆周上均匀分布8个定子极，定子极弧系数是1/3。与三相DSEM输出相同功率时，其电枢绕组电流密度较低，铜耗较小，有效材料质量较小，功率密度较高，极数更多，输出转矩脉动较小。同时，本文所述电机适当增加定子根部宽度，降低磁阻，增加功率。转子极弧系数增加至1/3，漏磁增加，但磁链平顶效应强于漏磁效应，输出功率增加。磁链波形如图3所示，A，D相靠近励磁绕组，磁链最大值较B,C相大。

图3四相DSEM磁链波形

电机自感：

(1)

式中：w是绕组匝数；μr是相对磁导率；μ0是真空导磁系数；S是磁路横截面积；l是磁路长。

图4是四相电枢绕组自感波形。可以看出，自感随着转子位置变化而周期性变化，每个45°电角度的区间内四相自感都有固定的大小关系。而DSEM同一时刻有两相绕组串联工作，且中性点没有引出，通过检测端电压能够间接获取各相绕组的大小关系。电机电枢绕组之间的互感波形如图5所示，相邻相互感MAB，MBC，MCD和MAD的绝对值较大，虽然同为相邻相，但是A，D相间有励磁绕组，极性相反，A，D相的互感值为正。非相邻相互感MAC和MBD的绝对值较小，变化也较小。

图4四相DSEM自感波形

图5四相DSEM互感波形

2 低压开关脉冲检测端电压法

2.1 四相电机八状态控制方式

传统的三相电机更多地采用三相三状态和三相六状态的控制方式，三相九状态的控制方式也有学者研究[2]，研究表明三相六状态和九状态的控制方式可以有效抑制DSEM的转矩脉动，提高输出转矩，减小母线反向电流，使电机平稳运行。因此四相电机采用八状态的控制方式对于提高起动转矩，保证电机平稳起动具有重要意义。DSEM的主功率电路采用四相四桥臂拓扑，四相DSEM的八状态控制方式的各个开关管触发状态信号如图6所示。可以看出，每个45°电角度将变换一次开关组合，初始位置判断必须精确到45°的区间，为保证电机无迟滞起动，需要更加准确确定转子初试位置。下文将分三步来进行转子初始位置的判断。本文所述的四相电机主要参数如表1所示。

图6 四相八状态控制的开关管触发信号

2.2 90°电角度区间判断

初始时刻直流端接入5 V低压直流电，S1和S8处于导通状态，此时电路通路状态如图7(a)所示，绕组A和C工作，等效电路方程：

式中：Udc是直流端电压；R是绕组内阻；iac(on)是绕组电流；La是A相绕组自感；Mac是A相与C相绕组互感。

绕组内阻很小，A相与C相互感值也很小，可以忽略，式(2)简化：

(3)

此时检测非导通相D相端电压，如图8(a)所示，D相端电压即为C相电枢绕组的电压：

(4)

开关S1和S8处于关断状态时，二极管D4和D5提供电流通路，等效电路状态如图7(b)所示，等效电路方程：

(5)

如图8(b)所示，此时D相端电压为A相电枢绕组的电压：

(6)

式(4)与式(6)相减得：

(7)

若ΔU1>0，则Lc>La，转子位于90°～270°电角度区间；若ΔU<0，则Lc

给S3和S2管开通信号，导通B，D两相，此时根据等效电路图7(c)可知，D相电枢绕组的电压可由A相端电压表示。续流阶段电流通过D6和D7的并联二极管续流，如图7(d)所示，此时A相端电压是B相电枢绕组的电压。端电压如图8(c)和图8(d)所示。导通和续流阶段A相电压差：

(a) S1，S8导通

(b) D4，D5续流

(d) D6，D7续流

图7两种开关组合导通和续流电路图

(8)

若ΔU2>0，则Ld>Lb，转子位于180°～360°电角度区间；若ΔU2<0，则Ld

(a) S1,S8导通

(b) D4，D5续流

(d) D6,D7续流

图8两种开关组合导通和续流端电压

表2 90°区间判断状态

2.3 45°电角度区间判断

当完成第一步区间判断后，需要进行45°区间判断。若第一步判断在180°～270°区间，需要通过C，D两相自感作进一步判断。与第一步类似，首先导通S5和S2管，检测A相或B相端电压，得到D相绕组两端电压Ud2，D7和D8两管续流时，得到C相绕组两端电压Uc2。

(9)

若Ud2>Uc2，则转子位于225°～270°区间；反之转子位于180°～225°区间。转子位置与端电压的关系如表3所示。

表3 45°区间判断状态

2.4 齿槽转矩分析

DSEM的凸极结构与励磁线圈感应的磁场作用产生电磁力，当电机起动时励磁绕组通入电流，电磁力吸引转子至平衡位置的齿槽转矩。空载或轻载运行时，无论加入励磁电流之前转子是否在平衡位置都会在齿槽转矩的作用下到达平衡位置，这一特性为准确判断初始转子位置奠定了基础。不同励磁电流下，在一个电周期内齿槽转矩随转子位置不同而变化的关系如图9所示。横轴的正方向是转子旋转的方向，同时也对应正的齿槽转矩。齿槽转矩的最大值与励磁电流以及电机结构有关。如图10(a)所示，当转子位于105°机械角度时电机磁力线路径最长，此时齿槽转矩最大。如图10(b)所示，当转子位于50°机械角度时电机磁力线路径最短，齿槽转矩为0。当摩擦力矩忽略时，空载时电机转子所处的齿槽转矩为0的位置有8个，但在85°，185°，282°和355°这4个位置，转子很容易受到正或负转矩的影响而发生转动，这些不是稳定平衡位置。通过对齿槽转矩为0时转子位置的理论分析，可以在初始位置检测方法所得到的转子区域基础上进一步获得更加准确的转子位置。

图9齿槽转矩与转子位置间的关系

(a) 最大转矩

(b) 最小转矩

图10最大最小转矩对应的转子位置

2.5 脉冲注入参数分析

电机静止时，未加励磁电流，但开通时间过长仍然会引起电机转动。因此需要对脉冲注入时间进行计算。以A，C相导通为例，忽略电感饱和效应，绕组电流产生的电磁转矩：

(10)

式中：i是绕组电流。由式(3)得到相电流：

(11)

式中：Δt是开通时间，根据仿真波形可知，电感斜率：

(12)

式中：Lmax和Lmin分别是A，C两相绕组自感之和的最大值和最小值；θs是定子极弧度数。

要保持电机静止，需要满足电磁转矩小于负载转矩。可得最长激励时间：

(13)

式中：T0是负载转矩。最短激励时间应该保证端电压达到稳定时刻即可。

上文所述方法关断A，C相后，为避免干扰，需要等续流电流降为0后才能开通B，D相，选择合适的开关频率非常重要。A，C相与B，D相分别开通关断时，开关时间短，两相自感之和近似恒定，两种通断方式都可以等效为电感和电阻串联的一阶电路，以A，C相导通为例，其响应时间：

(14)

电流上升时间：

(15)

式中：imax是相电流最大值。电流下降时间：

(16)

由式(15)和式(16)相减得：

(17)

上升时间大于下降时间，故施加脉冲的频率：

(18)

可以看出，A，C相自感之和最大时，脉冲频率最大值最小。A，C相与B，D相是轮流导通的，开关频率：

(19)

式中：(La+Lc)max是A，C相自感之和最大值；imax(Δtmax)是最长导通时间的电流最大值。

3 实验验证

3.1 实验平台

为了验证本文的电机转子初始位置检测方法的可行性，在一个8/6结构的DSEM控制平台上进行实验，如图11所示。其中样机是一台8/6结构的四相DSEM，控制器采用以TMS320F2812为核心的控制系统，功率电路采用四相全桥以及Concept公司的驱动器。其他所有的算法均在DSP驱动器中实现，无多余硬件。

图11硬件实验平台

3.2 实验结果分析

本实验的控制系统框图如图12所示，采样的端电压经过调理电路和比较器后输出开关控制信号。开关频率3.2kHz，直流端电压是5V。如图13所示，Uq1,Uq2,Uq3分别代表S1S8,S2S3,S3S4的驱动信号，Us代表位置检测电压信号。首先分别给S1和S8开关信号，导通A，C相，开通和关断时分别检测D相端电压，可见开通时D相端电压小于关断时电压，可以判断La>Lc。其次给S3和S2开关信号，导通B，D相，开通和关断时分别检测C相端电压，可见开通时C相端电压小于关断时电压，可以判断Lb>Ld。根据表2可知，转子位于0°～90°区间。此时可以给S3和S4开关信号，导通A，B相，通过开通和关断时分别检测C相端电压，判断La和Lb的大小，如图14所示，开通时C相端电压小于关断时电压，即La