- 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：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
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。
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。
圖1 電機示意圖及正方向定義
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：
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。
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
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。
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。
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.
