- 头条上海交大罗响团队特稿：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。
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。
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 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-fr=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.
