團(tuán)隊(duì)介紹

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(xué)電氣工程系獲得學(xué)士、碩士及博士學(xué)位，隨后進(jìn)入上海交大水下工程研究所進(jìn)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(xué)位及在博后工作期間，多次到香港理工大學(xué)進(jìn)行訪學(xué)。他的主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制，包含三相及多相永磁電機(jī)、調(diào)磁電機(jī)的控制研究，以及全海深壓力下的深海電力推進(jìn)研究等。

朱莉，副教授，于2003年獲得上海交通大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)士學(xué)位，并于2006年和2009年分別獲得上海交通大學(xué)電機(jī)與電器碩士學(xué)位和博士學(xué)位。獲得博士學(xué)位后，她是威斯康星-麥迪遜大學(xué)威斯康星電機(jī)與電力電子聯(lián)合會(huì)（WEMPEC）的博士后和副研究員。自2011年12月起任上海交大電機(jī)與電器副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)性能設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、控制與應(yīng)用，以及特種電機(jī)的研發(fā)及其應(yīng)用，以及特殊機(jī)器的設(shè)計(jì)和控制。

導(dǎo)語(yǔ)

本文在磁性齒輪的結(jié)構(gòu)上，將磁性齒輪的內(nèi)外雙層永磁體都替代為交流繞組，中間為磁場(chǎng)調(diào)制鐵塊，形成了雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)。該電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)由定子三相繞組產(chǎn)生，無(wú)論勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)都可以各自靈活地調(diào)節(jié)幅值、頻率；而且勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)的功能可以靈活地互換。

該電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍可進(jìn)一步提高，同時(shí)由于電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有永磁體，因此不存在齒槽轉(zhuǎn)矩問(wèn)題。本文對(duì)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及控制理論進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了該電機(jī)基于滑模觀測(cè)器的無(wú)位置傳感器研究。最后，利用仿真和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了本文DSFM的運(yùn)行原理和控制理論。

研究背景

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

雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的內(nèi)、外定子繞組獨(dú)立控制，因此該電機(jī)具有高度靈活的調(diào)節(jié)能力，二套交流能各自自由地調(diào)節(jié)磁場(chǎng)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(lì)磁）互換。同時(shí)，電機(jī)內(nèi)部沒(méi)有永磁體，因此不存在齒槽轉(zhuǎn)矩的問(wèn)題。

本文從電機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、控制方法等方面，對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了研究，并以此為基礎(chǔ)完成了該電機(jī)基于滑模觀測(cè)器的無(wú)位置傳感器控制。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)運(yùn)行十分靈活，兩套定子繞組可以互為勵(lì)磁及電樞繞組。本文首先介紹了電機(jī)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)介紹了勵(lì)磁繞組與電樞繞組的可互換性。

圖1 電機(jī)示意圖及正方向定義

圖2 (a)直流勵(lì)磁以確定旋轉(zhuǎn)方向；(b)啟動(dòng)完成后正常旋轉(zhuǎn)。

在完成對(duì)電機(jī)分析的基礎(chǔ)上，以外定子為勵(lì)磁繞組，內(nèi)定子為電樞繞組，推導(dǎo)了電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓及轉(zhuǎn)矩方程：

在此基礎(chǔ)上，分析了轉(zhuǎn)子與兩定子之間的角度關(guān)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?fù)淇驁D。

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(chǔ)，繼續(xù)完成了基于滑模觀測(cè)器的無(wú)位置控制理論的推導(dǎo)，并完成了在該電機(jī)上的無(wú)位置穩(wěn)定性分析。DSFM電機(jī)的電壓觀測(cè)方程及穩(wěn)定性條件分別為

最后，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的理論。例如在負(fù)載變化時(shí)，位置估測(cè)及兩套繞組的電流變化如下圖所示。在負(fù)載變化前，內(nèi)外繞組的頻率及電流幅值均已經(jīng)相等。

此時(shí)通過(guò)連接的伺服電機(jī)增加外部的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可見(jiàn)內(nèi)外繞組的電流幅值同步增加。在整個(gè)過(guò)程中，滑模觀測(cè)器均正常工作，估測(cè)誤差較小且電機(jī)運(yùn)行正常。

圖4 DSFM的無(wú)位置控制在負(fù)載變化時(shí)的電流矢量控制框圖

總結(jié)

在磁性齒輪的結(jié)構(gòu)上，將磁性齒輪的內(nèi)外雙層永磁體都替代為交流繞組，中間為磁場(chǎng)調(diào)制鐵塊，形成了雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)。該電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)由定子三相繞組產(chǎn)生，在滿足f1+f2-fr=0的前提下，可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)都幅值和頻率，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。此外，勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)的功能是可以互換的。

本文基于該電機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)制、勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)可互換、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的確定，對(duì)該電機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行了分析，并建立了雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得到了電機(jī)輸出恒定轉(zhuǎn)矩的控制理論和方法。基于此，論文擴(kuò)展研究了雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的無(wú)位置控制理論。

論文對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，仿真和試驗(yàn)都驗(yàn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和轉(zhuǎn)矩輸出；同時(shí)利用所設(shè)計(jì)的滑膜觀測(cè)器能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)樣機(jī)位置估計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器的控制。

引用本文

羅響, 朱莉, 郭燦新. 雙定子磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)及其無(wú)位置傳感器控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.