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  • 頭條上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制
    2021-01-06 作者:羅響 朱莉 等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語本文在磁性齒輪的結構上,將磁性齒輪的內外雙層永磁體都替代為交流繞組,中間為磁場調制鐵塊,形成了雙定子磁場調制電機。該電機勵磁磁場和電樞磁場由定子三相繞組產生,無論勵磁磁場和電樞磁場都可以各自靈活地調節幅值、頻率;而且勵磁磁場和電樞磁場的功能可以靈活地互換。該電機的轉速和轉矩調節范圍可進一步提高,同時由于電機內部沒有永磁體,因此不存在齒槽轉矩問題。本文對該電機的結構以及控制理論進行了研究,并實現了該電機基于滑模觀測器的無位置傳感器研究。最后,利用仿真和樣機試驗驗證了本文DSFM的運行原理和控制理論。

    團隊介紹

    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

     

    羅響,助理研究員,博士,分別于2005年、2009年及2013年在上海交通大學電氣工程系獲得學士、碩士及博士學位,隨后進入上海交大水下工程研究所進行博后工作,16年出站后在電氣系作為助理研究員任教。攻讀博士學位及在博后工作期間,多次到香港理工大學進行訪學。他的主要研究方向為電機控制,包含三相及多相永磁電機、調磁電機的控制研究,以及全海深壓力下的深海電力推進研究等。

    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

     

    朱莉,副教授,于2003年獲得上海交通大學電氣工程與自動化學士學位,并于2006年和2009年分別獲得上海交通大學電機與電器碩士學位和博士學位。獲得博士學位后,她是威斯康星-麥迪遜大學威斯康星電機與電力電子聯合會(WEMPEC)的博士后和副研究員。自2011年12月起任上海交大電機與電器副教授,研究方向為電機性能設計、分析、優化、控制與應用,以及特種電機的研發及其應用,以及特殊機器的設計和控制。

    導語

    本文在磁性齒輪的結構上,將磁性齒輪的內外雙層永磁體都替代為交流繞組,中間為磁場調制鐵塊,形成了雙定子磁場調制電機。該電機勵磁磁場和電樞磁場由定子三相繞組產生,無論勵磁磁場和電樞磁場都可以各自靈活地調節幅值、頻率;而且勵磁磁場和電樞磁場的功能可以靈活地互換。

    該電機的轉速和轉矩調節范圍可進一步提高,同時由于電機內部沒有永磁體,因此不存在齒槽轉矩問題。本文對該電機的結構以及控制理論進行了研究,并實現了該電機基于滑模觀測器的無位置傳感器研究。最后,利用仿真和樣機試驗驗證了本文DSFM的運行原理和控制理論。

    研究背景

    磁場調制電機的提出源于對磁性齒輪的研究。若將磁性齒輪的內外雙層永磁體都替代為交流繞組,中間為磁場調制鐵塊,則形成了雙定子磁場調制電機(Dual Stator Flux-modulated Electric Motor,DSFM)。

    雙定子磁場調制電機的內、外定子繞組獨立控制,因此該電機具有高度靈活的調節能力,二套交流能各自自由地調節磁場的頻率、幅值和相位,而且可以控制兩套三相繞組的功能(電樞或勵磁)互換。同時,電機內部沒有永磁體,因此不存在齒槽轉矩的問題。

    本文從電機結構、運行原理、控制方法等方面,對該電機進行了研究,并以此為基礎完成了該電機基于滑模觀測器的無位置傳感器控制。

    論文方法及創新點

    雙定子磁場調制電機運行十分靈活,兩套定子繞組可以互為勵磁及電樞繞組。本文首先介紹了電機結構,并根據結構介紹了勵磁繞組與電樞繞組的可互換性。

    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

    圖1 電機示意圖及正方向定義

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    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

    圖2 (a)直流勵磁以確定旋轉方向;(b)啟動完成后正常旋轉。

    在完成對電機分析的基礎上,以外定子為勵磁繞組,內定子為電樞繞組,推導了電機在dq坐標系下的電壓及轉矩方程:

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    在此基礎上,分析了轉子與兩定子之間的角度關系,這樣就完整分析出了在DSFM的矢量控制控制理論,并得出了矢量控制拓撲框圖。

    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

    圖3 DSFM矢量控制框圖

    然后,以DSFM的有位置矢量控制理論為基礎,繼續完成了基于滑模觀測器的無位置控制理論的推導,并完成了在該電機上的無位置穩定性分析。DSFM電機的電壓觀測方程及穩定性條件分別為

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    最后,通過仿真與實驗驗證了本文提出的理論。例如在負載變化時,位置估測及兩套繞組的電流變化如下圖所示。在負載變化前,內外繞組的頻率及電流幅值均已經相等。

    此時通過連接的伺服電機增加外部的負載轉矩,可見內外繞組的電流幅值同步增加。在整個過程中,滑模觀測器均正常工作,估測誤差較小且電機運行正常。

    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

    圖4 DSFM的無位置控制在負載變化時的電流矢量控制框圖

    總結

    在磁性齒輪的結構上,將磁性齒輪的內外雙層永磁體都替代為交流繞組,中間為磁場調制鐵塊,形成了雙定子磁場調制電機。該電機勵磁磁場和電樞磁場由定子三相繞組產生,在滿足f1+f2-fr=0的前提下,可以調節勵磁磁場和電樞磁場都幅值和頻率,實現速度和轉矩的調節。此外,勵磁磁場和電樞磁場的功能是可以互換的。

    本文基于該電機的磁場調制、勵磁磁場和電樞磁場可互換、電機旋轉方向的確定,對該電機的運行原理進行了分析,并建立了雙定子磁場調制電機的數學模型,得到了電機輸出恒定轉矩的控制理論和方法。基于此,論文擴展研究了雙定子磁場調制電機的無位置控制理論。

    上海交大羅響團隊特稿:雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制

     

    論文對樣機進行了仿真和實驗,仿真和試驗都驗證,改變定子繞組的直流或交流、交流電的頻率、電流的幅值,即能實現電機的啟動、調速和轉矩輸出;同時利用所設計的滑膜觀測器能準確地實現對樣機位置估計,實現無位置傳感器的控制。

    引用本文

    羅響, 朱莉, 郭燦新. 雙定子磁場調制電機及其無位置傳感器控制[J]. 電工技術學報, 2020, 35(5): 1036-1045. Luo Xiang, Zhu Li, Guo Canxin. Operation and Sensorless Control of a Dual Stator Flux Modulation Electric Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1036-1045.

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