六相横向磁通电机控制策略研究

鲍 鹏，蔡睿眸

应用研究

六相横向磁通电机控制策略研究

鲍 鹏1，蔡睿眸2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 广船国际有限公司，广州 511464）

横向磁通电机以其独有的结构特点，实现电动机各绕组每相之间独立隔离。本文重点研究六相横向磁通电机控制策略，基于一种改进的各相绕组每相独立控制方法，有效实现了各相绕组之间独立隔离，抑制了由各相间的相位和大小偏差引起的电机电流波动。

六相横向磁通电机 转矩密度 独立控制

0 引言

电力横向磁通永磁电机(TFPMM)既保留了横向磁通高转矩密度的特点，同时结合了永磁电机高效率、高功率因数的特点，受到各国研究者的广泛关注。针对横向磁通电机使用场合不同，各国已研制了多种样机，填补了横向磁通电机研究领域的空白。德国于1988年率先研制了首台45kW 横向磁通永磁电机样机，1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一。英国罗尔斯罗伊斯公司(Rolls-Royce)制造的横向磁通样机采用了聚磁双边结构，在体积增加较少的情况下获得了加倍的转矩。瑞典皇家技术学院的样机三相布置在同圆周上，结构简单，易于加工，但是没有采用聚磁结构，它的功率因数与转矩密度较低[1-4]。国内虽开展相关研究起步较晚，但目前已有不少样机研制成功，取得了不俗的成果。兰州理工大学、沈阳工业大学、华中科技大学、中船重工第七一二研究所在横向磁通电机方面做出探索研究。

1 系统配置及控制方法

1.1 系统配置

本项目组设计制造了一台200 kW六相横向磁通永磁电机（双三相互差30°），电机参数见表1。磁通方向与转子旋转方向垂直的电动机称为横向磁通电动机。目前大多数TFM采用永磁材料，这样的TFM又可称为永磁横向磁通电动机(TFPMM)。上述定义较为抽象，但我们可以根据其描述，得知它有别于其他类型电动机的特征：

1）电动机各相定子绕组之间完全独立，因此可以不考虑由相间电磁耦合引起的分布参数问题；

2）电机磁场路径可以实现真正意义上的三维建模；

3）电机定子绕组由其线圈及特定配套的铁芯组合而成，与传统电机相比更利用独立控制；

4）基于集中式的转子磁通设计，可以在定转子绕组间形成稳定的高气隙磁密；

5）在电机本体设计中可更优化设计线圈及磁路结构尺寸。

表1 横向磁通电机参数

传统电机采用径向磁通设计，但对于低速和尺寸需求较小的情况下，其比转矩无法满足要求。因此，横向磁通电机(TFM)成为了更好的选择，其主要优缺点如下：

1）在一定转速下，TFM 的功率随极对数增加而增加，且其极对数能做到相对较大的数值；

2）相比较来说，TFM的转矩密度更大，这使其能在低速运行时仍保持高效率和大转矩的输出；

3）若想实现TFM转矩最大化的要求，其总功率需求增多，电机功率因数随之减小；

4）由于TFM的设计制造技术有待提高，因此目前安装较为复杂，制造难度大。

根据上述第3）条特点可知，虽然TFM的转矩密度可以达到径向电机的几倍，但其功率因数与转矩密度的矛盾成为制约其发展的因素[5]。

1.2 三相横向磁通电机改进各相独立控制

本文研制的TFM结构为：采用模块化设计，基于许多个小功率电机模块，每个模块只需一组集中式绕组，且各相绕组之间实现了完全的电磁独立，每个模块由一相或多相组合而成，方便控制，不需要额外地引入电机换相装置。

对各相绕组进行独立控制时，实际上就是对多个单相电机进行控制。一般情况下，可选择的控制策略如下：

1）转速环与电流跟踪型控制。但由于电流跟踪控制会影响开关器件的开关频率，因此很少在中、大功率变换器中采用该方法。

2）双闭环控制。其中外环为转速环，内环为电流环。此时，电流环控制可以采用两种方法：第一种是只需PI调节器的介入即可，但其对交变量误差的调节效果并不明显，稳态时电流将存在静差。第二种是利用电流环在旋转坐标系下的轴电流分量进行PI调节，此方法一般应用于三相电机系统中。但由于横向磁通电机的控制相当于对多个单相电机进行控制，而只有一相电量是无法直接进行旋转坐标变换的。因此，需要找寻相应方法，使其在单相的旋转坐标系下，实现电流的闭环控制。

根据本文研究，建立了各相独立控制的控制框图，如下图：

图1 横向磁通电机控制框图

仿真结果如下：

图2 三相电流仿真图

根据上述控制框图，由仿真结果可知，三相电流得到了完全的解耦控制。但是，经过了1s/2r的坐标变换，生成的轴参数中含有丰富的交流信号，如下图所示，在仿真中，该交流信号可以用较大的控制参数进行抵消，但实际工程使用过程中，这种控制参数的设置不符合实际的，因此不能直接将此方法用于实际控制中，需对该方法加以改进，使电机系统能满足实际工程需求。

图3 d、q轴交流信号仿真图

2 三相横向磁通电机的改进各相独立控制

2.1 常见单相系统旋转坐标变换原理（1/4周期延迟等效法）

运用旋转坐标变换的方法，设电机中任一单相正弦量(t)，三角函数变换后得式(1)：

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

在上式基础上，我们令：

由式(1)和(2)可知，在单相系统中，若想解决稳态电流存在静差的问题，需要求解一个直流量，通过调整PI调节器的参数，将该直流量抵消后，即可实现无静差的调节效果。其一般解决方法为：基于Park变换，在两相静止坐标系中引入虚拟向量，可以实现电机交流电流等效为旋转坐标系中的直流分量。

2.2 三角函数法

本文所述的三角函数法，首先引入虚拟的静止分量，然后在永磁电机的前提下，建立、、及轴，这里定义轴超前轴90°，轴超前轴90°。

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

同3.1节中描述一致，令：

由式(5)得到：

令轴同向，可得下式：

X=x()=Xcos(+)=﹣Xsin

X Xsin(+)= Xcos(7)

需要注意的是，当采用i≠ 0的控制方式时，尽管检测到的i*不为0，但并不与设定值相吻合，即和i*的设定不吻合。因此，为了更好实现控制功能，实际上通过调整，仍用i=0控制方式来实现。仿真结果如下图所示：

图4 三角函数法控制时电流仿真图

各相电流平衡，实现了三相的完全解耦，且各相的分量是直流量，便于数字化实现，如下图：

图5 d、q轴电流分量仿真图

图中的分量尖刺是在进行数字实现时，函数限幅所导致的，其趋势是直流量，便于各通道的独立控制。

因此，必须对ctan函数进行限幅，从仿真的结果看，正限幅在[2,10]取值均符合上述仿真结果。

图6 d、q轴电流分量尖刺图

分量的尖刺来源于分量在波谷和波峰处的0值尖刺，如图6所示。

去除尖刺采用的常用方法为平均值法。但由于该尖刺为脉冲干扰所导致的，如果不对平均值法加以改进则会把干扰平均到结果中去，不能够较好的消除其产生的误差。为此，通常先去掉数据中的最大值和最小值，然后计算剩余数据的算术平均值，就可以解决尖刺问题，然而，平均值法的使用也有自身的局限性：

1）分量为交流信号，而防脉冲干扰平均值滤波是对交流量进行滤波，会改变信号的幅值和相位；

2）、轴分量是直流量，在稳态系统中，可以选择用平均值滤波法去除尖刺，但电机是在动态运行过程中，该滤波方法会延迟反馈值，影响电机的动态性能。

由此可见，上述缺点严重的限制了三角函数法在横向磁通电机中控制的使用。

2.3 改进型三角函数法

本文基于上述理论，对三角函数法进行改进。根据上述讨论可知，XX可由X的三角函数来表示，即：

通过等式变换，可得：

因此，仅当sin较大时，我们需要重新计算X的大小。即当∈[π/2-Δ, π/2+Δ]或者∈[3π/2-Δ, 3π/2+Δ]时，求X再由X=Xcos得到X。

图7 改进型三角函数法仿真图

之后通过变换求得X，X的值为：

d、q分量如下：

利用id=0控制策略时，横向磁通电机各相输出电流如图9所示。从输出电流结果可以看出，改进型三角函数法能够对横向磁通电机起到很好的控制作用，同时也弥补了三角函数法的缺点。

图9 改进型三角函数法电流仿真图

3 结论

本文通过仿真分析，基于一个200kW横向磁通永磁电机，采用改进的三角函数法，实现了横向磁通永磁电机各相绕组之间独立控制，达到各相绕组独立隔离的目的，抑制了由各相间的相位和大小偏差引起的电流波动。与传统电机相比，在电机本体结构设计时更有优势。

[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] 刘哲民, 陈谢杰, 陈丽香, 王秀和, 唐任远. 基于3D-FEM的新型横向磁通永磁电机的研究[J]. 电工技术学报, 2006, 05: 19-23.

[5] 李亚旭. 横向磁通电机拓扑结构初析[J]. 船电技术, 2003, 23(1): 8-12.

[6] 肖汉, 曾岳南, 唐雄民. 基于旋转坐标变换的单相电压型PWM整流器系统仿真[J]. 通信电源技术, 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

鲍鹏（1992-），男，工程师。研究方向：船舶电力推进系统。E-mail:134014560@qq.com