定子分割式混合励磁电机励磁控制系统仿真与实验

王晨;黄金霖;刘章琪

【摘 要】The stator split-type hybrid excitation motor is a new motor which has the ability of self-regulating magnetic field,and combined the advantages of hybrid excitation motor,flux-switching motor and disc motor. The new motor is studied in this paper,inductance parameters of the motor are analyzed by using finite element analysis method. The simulation model of fuzzy adaptive PI excitation control system is established. The changes of closed-loop when load constantly and speed changed are analyzed. The results showed that the fuzzy adaptive PI algorithm can effectively reduce the voltage overshoot and obtain the better robustness of the system.The simulation platform of the system is built, the results coincided with the simulation results,verified the

correctness of the theoretical analysis and simulation results.%定子分割式混合励磁电机综合了混合励磁电机、磁通切换电机和盘式电机的优点,是一种具有自调节磁场能力的新型电机.以该新型电机为研究对象,运用有限元分析法分析电机的电感参数,建立模糊自适应PI励磁控制系统的仿真模型,分析负载不变,转速变化时的闭环系统变化情况.结果表明,采用模糊自适应PI算法可有效减小电压超调量,系统的鲁棒性好.搭建控制系统的仿真平台,实验结果与仿真结果相吻合,验证了理论分析与仿真结果的正确性.

【期刊名称】《火力与指挥控制》 【年(卷),期】2018(043)002

【总页数】6页(P147-152)

【关键词】混合励磁;有限元;模糊自适应PI;控制系统 【作 者】王晨;黄金霖;刘章琪

【作者单位】安徽机电职业技术学院,安徽 芜湖241000;安徽机电职业技术学院,安徽 芜湖241000;江西理工大学电气工程及自动化学院,江西 赣州341000 【正文语种】中 文 【中图分类】O441 0 引言

永磁电机由于其高效率与高功率因数，逐渐代替传统的电励磁电机，在数控机床、风力发电等领域得到广泛应用。但高速时转子永磁体易退磁、气隙磁通密度不易调节等问题，限制了其在电动汽车、恒压发电等领域的应用。针对永磁磁场不易调节的问题，相关专家学者提出一种气隙磁场可调的混合励磁电机，不仅具有普通永磁电机效率高、转矩功率密度大等优点，且气隙磁通大小可通过励磁电流进行有效调节，气隙磁场可调的优点使其在风能发电、工业机床、混合动力等领域发展前景广阔［1-2］。

混合励磁电机是一类磁通可控型永磁电机，不仅继承永磁电机的诸多优点，且气隙磁密可通入励磁绕组电流进行有效调节。传统的混合励磁电机其永磁体位于转子上，需要对转子采取特别的辅助措施来固定永磁体，造成转子结构复杂，制约了此类混合励磁电机的应用范围［4］。轴向磁通切换型混合励磁电机（Axial Flux-Switching Hybrid Excitation Machine，AFSHEM）是一类新型磁通可控型定子永磁型电机，定转子均为凸极结构，转子仅有硅钢片加工而成，不放置永磁体和绕

组［1］，磁通随转子旋转自动切换路径，以此来改变定子绕组产生的感应电势。此类电机具有转矩功率密度高、磁通可调、效率高等诸多优点，国内外相关专家学者对此类电机进行深入研究，在电机优化分析及控制系统方面取得了较多成果，见文献［3-5］。

本文以此新型电机为研究对象，考虑非线性的前提下，分析其电感特性，建立电机的励磁控制系统仿真模型，采用模糊自适应PI调节方式，研究闭环系统的变化情况，为此类电机在恒压发电领域的应用奠定一定的基础。 1 AFSHEM电机的工作原理 1.1 电机的拓扑结构 图1 电机结构示意图

图1为AFSHEM的结构示意图。电机由定转子两部分组成，定转子间由转轴固定安装。

定子铁芯采用拼接式结构，12个“H”型单元定子铁心沿圆周依次放置，集中式绕组有效提高电机功率密度，绕组置于相邻单元定子槽中，永磁体采用径向充磁的结构；励磁绕组轴向缠绕在励磁支架上；隔磁环存在将励磁磁路与永磁磁路分成独立的两部分，处于完全并列状态。 1.2 调磁机理

针对永磁电机磁场不易调节，本文提出一种磁场可调的新型磁通可控性定子永磁型电机。图2（a）为AFSHEM电机的二维气隙磁场调磁机理图。当励磁电流为0，电机转子旋转时，由磁阻最小的原理，永磁体产生的磁通大部分经过“H”型定子铁心、气隙、转子齿、转子轭、两相邻的转子齿、气隙、定子铁心，转子旋转一个周期，磁通也经历一个周期，分别进入和穿出电枢绕组。当转子齿与定子齿对齐时，产生的磁通最大，当与另一个定子齿对齐时，产生的磁通反向最大。图2（a）为增磁运行，其励磁绕组中通入了正向的励磁电流，励磁磁通与永磁磁通方向相同，

共同产生气隙磁通。图2（c）为弱磁运行，其励磁绕组中通入了反向的励磁电流，励磁磁通与永磁磁通方向相反，减小了永磁磁通，起到弱磁的作用。 图2 AFSHEM磁场调节原理图

由图2可知，AFSHEM永磁磁通与励磁磁通呈完全并励的关系，克服了串联混合励磁电机通入的励磁电流过大，易造成永磁体不可逆退磁的风险。 2 电机的电感特性和数学模型 2.1 电感参数的计算

电机绕组电感是电机控制的关键参数之一，其大小的准确计算对电机的控制有较大影响。AFSHEM电机内部存在两个磁动势源：永磁磁势和电励磁磁势，因此，磁场间不仅存在漏磁和饱和现象，且磁场间的耦合现象比较明显，传统的分析方法难以对其进行准确的计算分析［6-7］。本文采用非线性电磁参数分析的方法，建立电机的三维有限元分析模型，得到AFSHEM的电感特性如图3所示。 图3 电感有限元分析图

由图3可知，由于磁路饱和的影响，电枢绕组间的自感与互感随着转子角度的变化，呈接近正弦变化；较电枢绕组自身的互感，电枢绕组与励磁绕组的电感却呈正弦规律变化，由电感的特性可知，励磁绕组本身的自感基本不随转子位置的改变而改变。

图4是利用三维有限元分析模型得到的磁通分布图，分别为不通励磁电流，通入-3A和3A的励磁电流。 图4 单相磁链分布图

由图4可知，当通入不同方向的励磁电流时，可有效增强或减弱永磁体通过A相绕组产生的磁通，而磁通的大小可通过电流的大小得到有效的调节。 2.2 电机数学模型的建立 2.2.1 磁链方程

相对于普通的磁通切换型混合励磁电机，AFSHEM的定子结构复杂，永磁体、励磁绕组以及电枢绕组均处于定子上，磁场的耦合强度高，建立起数学模型和控制系统较复杂。由电机的工作原理可知，电机具有两个磁动势源，分别为永磁磁势与电励磁磁势，其每相绕组的磁链包括永磁体提供的磁链、电流自感产生的磁链、每相绕组之间互感产生的磁链以及励磁绕组与互感间产生的磁链［8］。考虑磁路饱和的影响，其磁链方程如式（1）所示：

式中，ψa、ψb、ψc、ψf分别为 A、B、C 三相绕组的磁链和励磁绕组的磁链（Wb）；ψpma、ψpmb、ψpmc分别为三相绕组的永磁磁链（Wb）；ia、ib、ic、if分别表示三相绕组的电枢电流和励磁绕组的电流（A）；La、Lb、Lc、Lf分别为三相相绕组的自感与励磁绕组自感（H）；Mab、Mac、Mba、Mbc、Mca、Mcb 分别为三相绕组间的互感（H）；Lfa、Lfb、Lfc、Laf、Lbf、Lcf分别表示励磁绕组与相绕组间的互感（H）。 2.2.2 电压平衡方程

本文研究的对象是发电机，规定正确的电流方向，根据基尔霍夫电压定律与法拉第电磁感应定律，得出电机相绕组（A相）与励磁绕组的电压方程如下式所示［9］：

式中，up、uf分别表示相绕组和励磁绕组的电压，ψp、ψf分别表示相绕组与励磁绕组的磁链，ept、epr、epe、epm、ef、efr分别表示某相绕组的感应电动势、运动电动势、励磁感应电动势、永磁体产生的感应电动势、励磁绕组感应电动势以及励磁绕组运动电动势。

将电枢绕组与励磁绕组相结合，得到电压的矩阵方程如式（4）所示：

2.2.3 转矩平衡方程

根据发电机的运行特性，忽略电机的铁耗和机械摩擦损耗，得到电机的电磁转矩为：

根据其电磁转矩的方程，得到电机转子的机械运动方程如式（6）所示：

式中，J为系统转动惯量；Tm为原动机输入机械转矩；Te为电磁转矩；F为系统阻力系数；ωr为系统机械角速度。 3 AFSHEM电机的励磁控制系统 3.1 励磁控制策略

相比较普通的永磁电机，AFSHEM结构较复杂，永磁体产生的磁动势与励磁绕组产生的磁动势均呈非线性，而其励磁绕组的外部电路也呈非线性状态，若采用传统的PID控制，其控制品质较低。而模糊自适应PI控制具有自调节能力，无需精确的数学模型，并自动校正控制参数使系统达到最优的控制效果［10］。

基于模糊自适应PI的AFSHEM控制系统原理图如图5所示。模糊自适应PI控制系统主要有模糊控制器和参数可调PI控制器两部分组成。系统输入参数为电压误差e和电压误差变化ec，运行中不断检测e和ec，根据设定好的模糊控制规则对PI两个参数进行在线修改，以适应e和ec的变化，使得发电机具有良好的静态和动态性能。

图5 励磁控制系统原理图

控制系统中模糊控制的基本参数为：误差e和误差变化率ec的量化因子分别为ke=0.6，kec=0.000 2；系统控制量的 kp、ki的比例因子为 kkp=5，kki=5［11］。

3.2 励磁控制系统仿真研究

根据上述有限元方法提供的电机电感参数，建立电机励磁控制系统仿真模型。本文采用模块化和功能化的方法，在Simulink环境下建立各功能独立的子系统，该控

制系统包括电机本体，励磁磁场控制器，功率变换电路以及功率变换器等组成，其整体的恒压控制模型如图6所示。

对于AFSHEM发电机，励磁电流控制器主要由两部分构成：PI调节器和PWM信号发生器。在建模仿真的过程中，采用模糊自适应PI算法来改善系统的动态性能。如图7所示。 4 仿真结果与分析 4.1 励磁控制系统仿真分析

建立励磁控制系统的仿真模型，添加模糊自适应PI的励磁控制算法，对其控制系统进行分析研究。

图6 恒压励磁控制系统仿真框图 图7 模糊自适应PI控制器结构图 4.1.1 转速变化负载不变时

在仿真过程中，整个系统带动30 Ω的纯电阻负载，电机运行在3 s内，转速从400 r/min突增至485 r/min，最后，突降为325 r/min。其仿真结果如图8所示。 图8 模糊自适应PI仿真结果

由图8可知，当电机的转速突增至485 r/min时，转速的增加导致负载电压急剧增大，由于闭环系统的控制，导致励磁电流下降至-1.8 A，减弱磁通；负载电压和电流很快恢复到原有值，最终负载电压稳定在17 V，励磁负载电流稳定在0.58 A；当电机转速突降为325 r/min时，负载电压也随着转速的下降突然下降，此时，磁通增加，励磁电流增加至1.8 A，最终负载电压和负载电流分布稳定在17 V和0.58 A。

4.1.2 负载变化转速不变时

保持电机的转速稳定在400 r/min，发电机带动30 Ω左右的纯电阻负载，在3 s时，突增至60 Ω，10 s时降至20 Ω。其仿真结果如下页图9所示。

图9 模糊自适应PI仿真结果

由图9可知，由于闭环系统的作用，负载增大时，励磁减小，起到弱磁的作用，使得负载电流和负载电压同时减小，并分别稳定在0.58 A和17 V左右；当负载减小时，励磁电流增加，达到增磁的目的，使得负载电流和电压增大，分别稳定在0.58 A和17 V左右。

分析可知，由于积分作用（消除残差）的存在，采用模糊自适应PI算法最终都能对设定电压进行很好的跟踪；且可有效减小电压超调量，使得电压调整时间得到大大缩短，控制系统的稳态精度更高，系统的鲁棒性更好。 5 控制系统实验分析 5.1 控制平台的搭建

为了验证仿真的准确性，试制AFSHEM样机一台，制作电机励磁控制系统控制器，搭建样机控制系统实验平台，如图10所示。整个实验平台由励磁控制器、AFSHEM、原动机及伺服驱动器、直流电子负载以及示波器等仪器组成。控制器主要实现AFSHEM的整流、控制系统算法实现和输出样机的励磁电流等作用；样机的转速变化由伺服驱动器控制，样机的负载变化由直流电子负载控制。 图10 励磁控制系统测试平台 5.2 实验结果分析

利用伺服控制器，改变交流伺服原动机的转速，进而达到改变样机的转子转速。将直流电子负载的阻值设置为30 Ω，参考电压设置为11 V。实验结果如图11所示。 图11 模糊自适应PI控制实验结果

由图11可知，电压偏差阀值设置为5 V。当t=20 s时，转速由400 r/min升至485 r/min，电压波动2 v，调节时间近似为4 s；当t=50 s，转速下降到325 r/min，此时电压波动2 v，调节时间约为5 s。从图9中看出，电压稳定在11 v，稳态精度达到±0.5 v。

AFSHEM转速或者负载发生突然变化时，由于励磁控制系统的闭环作用，使得电压输出值相对稳定，可有效地应用于恒压发电领域。实验结果与仿真结果相吻合。模糊控制的引入，不仅缩短了调节时间，而且使输出平滑，波动较小。 6 结论

1）提出一种定子分割式磁场并励式轴向磁场混合励磁电机，分析该类电机的调磁机理，利用有限元分析法分析电机的电感参数；

2）利用相关参数，建立该类电机的数学模型，并搭建电机的励磁控制系统仿真模型，采用闭环模糊自适应PI调节的方式，开展电机的稳态和动态等相关仿真研究； 3）搭建样机励磁控制成系统实验平台，进行与仿真相对应的实验研究。仿真和实验结果表明：控制励磁电流的大小，可灵活控制电机的稳态和动态性能，以适应风力发电机的转速和负载的变化。为此类电机在恒压发电领域奠定一定的基础。 参考文献：

［1］赵朝会，张卓然，秦海鸿.混合励磁电机的结构和原理［M］.北京：科学出版社，2010.

［2］ZHANG Z R，YAN Y G，YANG S S，et al.Principle of operation and feature investigation of a new topology of hybrid excitation synchronous machine［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2008，44（9）：2174-2180. ［3］SHINNAKA S.New optimal current control methods for energy-efficient and wide speed-range operation of hybrid-field synchronous motor［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（5）：2443-2450.

［4］刘细平，郑爱华，王晨.定子分割式轴向磁通切换混合励磁同步电机三维有限元分析与实验研究［J］.电工技术学报，2012，27（10）：110-113. ［5］FODOREAN D，DJERIR A，VIOREL I A，et al.A double excited

synchronous machine for direct drive application-design and prototype tests［J］.IEEE Transactions on energy conversion，2007，22（3）：656-665.

［6］黄明明，林鹤云，金平，等.新型混合励磁同步电机分区控制系统分析与设计［J］.中国电机工程学报，2012，32（12）：120-125.

［7］杨成峰，林鹤云，刘细平.混合励磁同步电机调速系统的控制策略［J］.电机与控制学报，2008，2（1）：27-33.

［8］OWEN R L，ZHU Z Q，JEWELL G W.Hy brid-excited flux-switching permanent-magnet machines with iron flux bridges［J］.IEEE Trans，Magn，2010，46（6）：1726-1729.

［9］THOMAS A S，ZHU Z Q，JEWELL G W.Proximity loss study in high speed flux-switching permanent magnet machine［J］.IEEE Trans，Magn，2009，45（10）：4748-4751.

［10］张卓然，周竞捷，严仰光.新型并列结构混合励磁同步电机的结构与原理［J］.中国电机工程学报，2009，29（33）：83-89.

［11］WANG Y，DENG Z Q.Hybrid excitation topologies and control strategies of stator permanent magnet machines for DC power system［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（12）：4601-4615.

［12］桑海，赵志诚，张井岗，等.永磁同步电机伺服系统的单神经元自适应分数阶PD滋控制［J］.火力与指挥控制，2015，40（9）：55-58.