横向磁通电机各相独立控制策略研究

杨锋权



横向磁通电机各相独立控制策略研究

杨锋权

（中国人民解放军 4805 工厂象山修船厂（海申机电总厂），浙江宁波 315700）

本文分析了横向磁通各相异性的特点，提出了不同于传统三相矢量控制的控制方法，即三角函数法各相独立控制。分析了各相独立控制的原理，建立了数学模型，并与传统控制方法进行了对比仿真，仿真结果表明：三角函数法各相独立控制能很好的平衡各相电流，控制策略优于传统方法。

横向磁通电机 各相独立 单相坐标变换

0 引言

德国不伦瑞克理工大学(Brunswick)的Herbert Weh 教授在20世纪80年代提出的横向磁通电机(Transverse flux motor, TFM)结构思想[1,2]，对提高电机的转矩密度具有重要意义。一般来讲，TFM有着有别于其他类型电动机的特征[3]：1）电动机各相之间完全物理隔离，因此相间无电磁耦合；2）电动机的磁路真正是三维的；3）简单螺线管线圈和与其成套的定子铁芯耦合，构成每一相的电枢绕组；4）转子结构使磁通集中，以便产生高气隙磁密；5）无需折中几何尺寸，即可改变磁路结构和线圈区域。

各国学者横向磁通电机的驱动控制随着电机的研究而开展了大量的研究工作，提出了如下几种主要的驱动控制：1）方波电流控制[4]。2）三相正弦波通用变频器的驱动控制[5]。3）三相方波变频器驱动控制。

横向磁通电机整体由若干个小功率电机模块组合而成，每个模块包括一相或多相，每相只需一组集中式绕组，且各相之间实现了电磁和结构的双重解耦的结构。基于这些特点，本文提出了采用三相变频器驱动三相开绕组横向磁通永磁电机的各相独立控制方案。

1 横向磁通永磁电机的相间不平衡特性

由于横向磁通电机各相之间完全物理隔离，因此相间无电磁耦合。所以，制造过程中存在相间反电动势的大小和相位不平衡。

1）相间反电动势大小不一致。实验用200 kW六相横向磁通永磁电机的各相的反电动势在相同的转速下，由其工艺和制造的差异，导致磁场不一致，从而反电动势大小不同。

2）相位差不一致。横向磁通电机不同相之间的相位差完全是由机械角度的偏差决定。设计时，是通过定子的绕组偏差和转子的磁极偏差共同形成相位差。实际的机械加工中由于制造工艺的限制，又由于横向磁通的极数很多，实际电机的相位差与设计值存在偏差。

如下是200 kW六相横向磁通永磁电机的反电动势设计值、以及通过试验测得的一个通道实际值。

1）额定转速时，反电势有效值约：260 V。

2）以发电运行，转速约为110 rpm时的空载反电势结果来分析反电势的幅值不平衡量：A1p=350 V，B1p=341 V，C1p=337 V。δ1%（以峰值计算不平衡量）=13/350~~ 13/337= 3.7%~ 3.86%。

3）以发电运行，转速约为110 rpm时的空载反电势结果来分析反电势的相角不平衡量。实测值：A1=0°, B1=115.4°, C1=236.6°。理想值：A1=0°, B1=120°, C1=240°。δab%= 4.6/120= 3.83%; δac%=3.4/120=2.83%。

2 传统的三相开绕组永磁电机矢量控制策略

首先在对200 kW横向磁通永磁电机进行了单通道（一个三相）的控制采用传统的三相开绕组永磁同步电机的控制方法。三相开绕组永磁电机的控制策略与三相Y型永磁同步电机的控制策略相似，不同之处是：对每个绕组进行电流采样和PWM的生成。

以实际电机的第1通道的反电动势在Matlab/Simulink下建立仿真，仿真结果如图1。

图1传统的三相开绕组永磁电机矢量下各相电流

从图1可知，由于相间的反电动势的相位偏差和大小不等，导致采用传统的永磁同步电机转子磁链定向矢量控制三相电流存在偏差，偏差为20 A。

3 横向磁通永磁电机的各相独立控制

对各相进行独立控制时，实际上控制多个单相交流永磁电机。单相交流永磁电机的控制策略有多种形式，如：1）转速环与电流跟踪型控制。2）双闭环的控制方式。本文采用后者进行分析。双环中的外环为转速环，内环为电流环。电流环在采用旋转坐标系下的dq轴电流分量进行PI调节。在三相电机系统中，可通过电流的旋转坐标变换来解决这个问题。而在单相系统中，由于只有一相电量，故无法直接利用旋转坐标变换。如下分析在单相的旋转坐标系下，对电流进行闭环控制。

3.1 TFPM各相独立控制原理

建立了各相独立控制的控制框图，如图2。

在单相系统中运用旋转坐标变换的原理，不同于三相系统。常见的方法是1/4周期延迟等效法。这种延迟1/4周期得到虚拟的β分量的方法常应用于固定基本周期的场合，如单相PWM整流中，对于单相电机在全速度范围内基本周期变化，在低速时周期过长，在数字实现上存储空间受限。且周期过长，β分量的时间滞后大。因此该方法不能应用于单相交流电机控制中，即不适用于本控制策略。

3.2 TFPM各相独立控制数学模型

本文提出了三角函数法，并建立了如下数学模型。

1s/2r坐标变换过程中，dq轴存在交流分量，利用PI调节控制。坐标变换先将单相静止坐标下的a定义为两相静止坐标系下的α分量，引入虚拟的静止分量β，再进行2s/2r变换。

α、β及dq轴的建立，需以永磁电机为基础。定义β轴超前α轴90°，q轴超前d轴90°。如图2所示。

令

图2 各相电流各相独立控制的控制框图

虚拟一个β分量，再进行坐标变换得到dq轴分量：

3.3 TFPM相位偏差的控制

在分析各种控制策略的过程中，采用一种较容易实现的控制方法：各相的相位解耦矢量控制，即在三相的坐标变换时，分别用其准确的相位代替120°。

在相位非对称的三相系统中，C3s/2r-ayn：

非对称的三相系统中，反变换C2r/3s-ayn：

3.4 仿真结果

在Matlab/Simulink仿真软件中建立了200 kW六相横向磁通永磁电机的单通道各相独立控制仿真模型，并进行仿真，三相输出电流如图3。可见，采用各相独立控制，通道内，三相电流平衡。

图3 各相独立控制仿真结果

4 结论

通过原理分析与仿真，横向磁通永磁电机采用三角函数法的各相独立控制实现了各相的完全解耦控制，使得相间的相位和大小偏差引起的不平衡得到较好的抑制。

[1] Weh H, May H. Achievable force densities for permanent magnet excited machine in new configuration [C]. Proceedings of ICEM, Munchen, Germany, l986: l107-l1l1.

[2] Weh H, Hoffman H, Landrath J．New permanent magnet excited synchronous machine with high efficiency at low speed [C]. Proceedings of ICEM, Pisa, Italy, 1988: 35-40.

[3] 刘哲民, 陈谢杰, 陈丽香等. 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, 5(21): 19-23.

[4] 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.French C D, Hodge C, Husband M．Optimised~rque control of marine transverse- flux propulsion machines[C]. Conference of IEE, Bath, UK, 2002.

Research on Each Phase Independent Control Method for Transverse Flux Motor

Yang Fengquan

(No.4805 Factory of PLA, Ningbo 315700, Zhejiang, China)

TM301.2

A

1003-4862（2014）08-0062-03

2014-02-24

杨锋权（1975-），男，工程师。专业方向：电子技术应用。