上海交通大学罗响团队特稿：双定子磁场调制电机及其无位置传感器控制

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团队介绍

罗响，助理研究员，博士，分别于2005年、2009年及2013年在上海交通大学电气工程系获得学士、硕士及博士学位，随后进入上海交大水下工程研究所进行博后工作，16年出站后在电气系作为助理研究员任教。攻读博士学位及在博后工作期间，多次到香港理工大学进行访学。他的主要研究方向为电机控制，包含三相及多相永磁电机、调磁电机的控制研究，以及全海深压力下的深海电力推进研究等。

朱莉，副教授，于2003年获得上海交通大学电气工程与自动化学士学位，并于2006年和2009年分别获得上海交通大学电机与电器硕士学位和博士学位。获得博士学位后，她是威斯康星-麦迪逊大学威斯康星电机与电力电子联合会（WEMPEC）的博士后和副研究员。自2011年12月起任上海交大电机与电器副教授，研究方向为电机性能设计、分析、优化、控制与应用，以及特种电机的研发及其应用，以及特殊机器的设计和控制。

导语

本文在磁性齿轮的结构上，将磁性齿轮的内外双层永磁体都替代为交流绕组，中间为磁场调制铁块，形成了双定子磁场调制电机。该电机励磁磁场和电枢磁场由定子三相绕组产生，无论励磁磁场和电枢磁场都可以各自灵活地调节幅值、频率；而且励磁磁场和电枢磁场的功能可以灵活地互换。

该电机的转速和转矩调节范围可进一步提高，同时由于电机内部没有永磁体，因此不存在齿槽转矩问题。本文对该电机的结构以及控制理论进行了研究，并实现了该电机基于滑模观测器的无位置传感器研究。最后，利用仿真和样机试验验证了本文DSFM的运行原理和控制理论。

• DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180330

研究背景

磁场调制电机的提出源于对磁性齿轮的研究。若将磁性齿轮的内外双层永磁体都替代为交流绕组，中间为磁场调制铁块，则形成了双定子磁场调制电机（Dual Stator Flux-modulated Electric Motor，DSFM）。

双定子磁场调制电机的内、外定子绕组独立控制，因此该电机具有高度灵活的调节能力，二套交流能各自自由地调节磁场的频率、幅值和相位，而且可以控制两套三相绕组的功能（电枢或励磁）互换。同时，电机内部没有永磁体，因此不存在齿槽转矩的问题。

本文从电机结构、运行原理、控制方法等方面，对该电机进行了研究，并以此为基础完成了该电机基于滑模观测器的无位置传感器控制。

论文方法及创新点

双定子磁场调制电机运行十分灵活，两套定子绕组可以互为励磁及电枢绕组。本文首先介绍了电机结构，并根据结构介绍了励磁绕组与电枢绕组的可互换性。

图1 双定子磁场调制电机示意图及正方向定义

图2 (a)直流励磁以确定旋转方向；(b)启动完成后正常旋转。

在完成对电机分析的基础上，以外定子为励磁绕组，内定子为电枢绕组，推导了电机在dq坐标系下的电压及转矩方程：

 在此基础上，分析了转子与两定子之间的角度关系，这样就完整分析出了在DSFM的矢量控制控制理论，并得出了矢量控制拓扑框图。

图3 DSFM矢量控制框图

然后，以DSFM的有位置矢量控制理论为基础，继续完成了基于滑模观测器的无位置控制理论的推导，并完成了在该电机上的无位置稳定性分析。DSFM电机的电压观测方程及稳定性条件分别为

最后，通过仿真与实验验证了本文提出的理论。例如在负载变化时，位置估测及两套绕组的电流变化如下图所示。在负载变化前，内外绕组的频率及电流幅值均已经相等。

此时通过连接的伺服电机增加外部的负载转矩，可见内外绕组的电流幅值同步增加。在整个过程中，滑模观测器均正常工作，估测误差较小且电机运行正常。

图4 DSFM的无位置控制在负载变化时的电流矢量控制框图

总结

在磁性齿轮的结构上，将磁性齿轮的内外双层永磁体都替代为交流绕组，中间为磁场调制铁块，形成了双定子磁场调制电机。该电机励磁磁场和电枢磁场由定子三相绕组产生，在满足f₁+f₂-f_r=0的前提下，可以调节励磁磁场和电枢磁场都幅值和频率，实现速度和转矩的调节。此外，励磁磁场和电枢磁场的功能是可以互换的。

本文基于该电机的磁场调制、励磁磁场和电枢磁场可互换、电机旋转方向的确定，对该电机的运行原理进行了分析，并建立了双定子磁场调制电机的数学模型，得到了电机输出恒定转矩的控制理论和方法。基于此，论文扩展研究了双定子磁场调制电机的无位置控制理论。

论文对样机进行了仿真和实验，仿真和试验都验证，改变定子绕组的直流或交流、交流电的频率、电流的幅值，即能实现电机的启动、调速和转矩输出；同时利用所设计的滑膜观测器能准确地实现对样机位置估计，实现无位置传感器的控制。

引用本文

罗响, 朱莉, 郭灿新. 双定子磁场调制电机及其无位置传感器控制[J]. 电工技术学报, 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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