采用电磁力实现电能转化为机械能是电动机的主要工作原理．电机控制核心思路是通过绕组电流，控制对目标(转子/动子)的电磁力．电力电子技术的应用，使得这一控制模式变得简单而成熟，成为目前电机控制的普遍方式．电机控制系统通过传感器检测位置/转速信号，反馈给控制器进行闭环控制后，通过功率变换器产生对应的绕组电流，将产生对应的电磁力加载在转子上实现运动，完成闭环控制．电磁力在转子上可以是产生旋转转矩的切向力[1]，也可以是径向力来实现位置控制(悬浮)[2]．在这个系统中，电力电子实现对软件中的控制电流的真实放大，在绕组中完成电磁力的加载，是核心功率部件．在电机的电磁力中，主要有两种物理上的电磁力：一是洛伦兹力，即通电导体在外磁场下的电磁力，恒定磁场下洛伦兹力与电流大小成正比，且与电流方向相关；二是麦克斯韦力，是在磁导率不同的介质交界面的电磁力，一般与电流方向无关，与电流平方成正比[3]．不同电磁力造就了不同特性的电机．交流异步电机、电励磁同步电机和永磁同步电机都是基于洛伦兹力的电机；而磁阻电机和磁悬浮轴承则是基于麦克斯韦力．电磁力的物理特性不同使得电机的绕组电流及其驱动特性也会不同．针对交流异步和同步电机驱动，目前普遍采用三相电压型逆变器驱动Y接结构的模式，在绕组中通入三相对称交变电流产生电磁力．针对磁阻电机等需要绕组中包含直流偏置的麦克斯韦力电磁机构，一般采用开绕组全桥驱动模式．这两种驱动结构也是目前电机控制最典型的方式．在这样的驱动模式下，电机控制系统在各个工业领域得到了应用，但是也面临多方面的挑战，使其性能逼近了极限．宽调速范围的挑战：电机控制器的输出电压受限于直流母线电压．采用常规三相Y接型的电机控制器，即使采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)，输出相电压幅值也只能到直流母线电压的58%．在最大输出电压以上必须对电机弱磁，从而降低输出转矩和效率．采用开绕组全桥驱动可实现交流相电压幅值达到一倍的直流母线电压，代价是电力电子器件数量须翻倍．在以交通电气化为代表的很多应用场合，直流母线电压受限，也使调速范围受限．电磁干扰的挑战：与常规正弦电压源驱动电机不同，电力电子器件高频高速开关给系统带来了高频激励，以电磁干扰的形式在电机和控制器之间传播，威胁系统的可靠运行．特别地，以三相Y接电机控制器输出共模电压产生的共模电流将流经电机轴承和绝缘，导致轴承等关键部件的持续损耗和失效．随着宽禁带电力电子器件的应用，开关速度和开关频率进一步增加使电磁干扰和共模电流进一步恶化．采用无源滤波器的方法将带来体积质量和成本的增加．多自由度控制条件下全局器件优化的挑战：在很多应用场合，电机/电磁装置须控制多个运动自由度．采用独立的电力电子变流器控制每个运动自由度是目前常规的方法，但是在应用中没有从全局进行控制元件及控制方法的整体优化．很多控制资源可以通过复用的方式实现成本的节省和功率密度的改善．可靠性的挑战：电力电子器件作为电机控制系统可靠性的短板，其失效会给系统带来严重的后果．采用三相Y接型的电机控制器，任何一相出现故障都会某种程度耦合到其他相，使故障容错困难．在多相电机驱动中可以由正常相电流重构磁链降容量容错运行．在配置冗余器件的条件下可以重构电流实现容错，但是均面临故障实时检测、容错时间及成本等挑战．采用电机-控制器集成是实现电机系统功率密度和系统可靠性提升的一个主要方法．采用分立组合方式，电机和控制器独立开发，通过线缆连接．采用集成组合的方式，控制器与电机联合设计开发，共用一套机壳，并且省去了线缆．采用集成的方式，可以节省传输线缆的体积质量和成本，还减少了线缆带来的可靠性和电磁干扰问题．电机和控制器共用一套机壳和散热，功率密度提升的同时，系统集成度也得到提高．整个系统的工业化制造性能明显改善[4]．电机-控制器集成的一个典型范例是由美国威斯康星大学WEMPEC实验室研发的集成模块化电机驱动(integrated modular motor drive，IMMD)系统[5]．电机控制器采用模块化设计方法，扇形印刷电路板上配置一相的驱动电路，贴在电机定子端部，实现硬件上的集成．电机与控制器省去了线缆连接，也可以共同进行热设计和电磁兼容等设计．须指出的是，电机和控制器空间位置上的集成，虽然在总体功率密度和集成度上有所改进，却并未突破电机和控制器拓扑及控制方法上的局限，以上所述的几个主要挑战仍然存在．广义的电机-控制器集成设计，须结合电机和控制器的拓扑和自由度上的特点，打破原有电机和控制器拓扑固有的局限，从本质上提升电机系统的效能．针对新的集成架构，脉冲序列组合和控制自由度也可以得到更丰富的拓展空间[6]．本研究在国内外研究现状基础上，提出广义电机集成系统的初步概念，充分利用电机和电力电子的拓扑和控制自由度，组合成为优化相应的参数指标或实现特殊控制能力的新型电机控制系统．这种方法可以被称为电力电子化电机集成系统．电力电子与电机/电磁力机构在拓扑和控制自由度的集成上，须综合考虑性能需求和硬件能力．这一方面的研究国内外方兴未艾，暂时未有系统性的总结．在系统架构的拓扑上，更多组合自由度能在电压和电流实现更丰富的性能集成．提高电压控制自由度，最直接的思路就是串联优化拓扑下的驱动；提高电流的控制自由度，最直接的思路就是并联优化拓扑下的驱动．串联集成和并联集成形成广义的电机集成系统是两大主要路线．而针对多目标控制和基于麦克斯韦力的特种电机，相比较于常规三相交流电机会存在更多的集成自由度，拓扑/控制优化空间更丰富，也将面临更多挑战．本研究以拓扑/功能集成为例，介绍广义电机集成的3个主要范例．从开绕组电机驱动出发，介绍了以串联为特征的电力电子-电机集成设计方法，包括新型串联绕组电机控制器和悬浮电容拓扑结构，改善了调速范围、功率因数和容错能力；从多相和多支路出发，介绍了以并联为特征的集成设计方法，包括多相电机控制系统、并联逆变器驱动三相电机系统和多三相电机系统；针对以麦克斯韦力和多自由度为特征的特种电机，介绍了多轴磁悬浮轴承集成系统和反向电流重构的容错集成方法．1 串联型集成方法电机与控制器的拓扑集成的一个重要方向是串联型集成．利用绕组和变流器的串联方法，打破传统三相Y接的局限，可以让更高的电压加载在绕组上，从而使电机控制的自由度更加丰富．最典型的串联型拓扑是开绕组模式，应用在三相电机上是开绕组全桥电机控制器．采用开绕组模式的最大优势是逆变交流侧电压范围大幅提升，相电压峰值可以达到全直流母线电压．在相同直流母线电压下，电机的恒转矩区可以扩大70%以上；同时，每个绕组独立的全桥驱动也使系统的容错能力明显改善[7-8]．集成驱动方式采用了独立开绕组的全桥驱动模式．但是这一驱动模式有两个明显的问题：一是电力电子器件数量倍增，二是所需的控制和器件驱动资源倍增．随之而来的器件损耗会同步增加，所需的热管理资源也会增加；其次，开绕组驱动模式给电机带来了零序通路，对于一些需要零序/直流偏置电流的特种电机是一个优势，但是对于普通的交流异步电机和同步电机，其零序电抗较小，容易造成大零序电流的问题[9]．在应对这2个挑战的思路上，2种集成化拓扑结构被研究出来，成为广义集成电机控制的2个典型范例．1.1　串联绕组电机控制器第一种拓扑集成方案是串联绕组电机控制(SWMD)．图1以三相系统为例展示了从开绕组全桥电机控制器到串联绕组电机控制器的演化途径[10-11]．在开绕组全桥中，B相左侧桥臂B1与A相右侧桥臂A2合并，B相右侧桥臂B2与C相左侧桥臂C1合并，即可演化成新型四桥臂结构．相较于三相开绕组全桥，两对功率桥臂复用，串联绕组拓扑减少了1/3的器件数，仍然能满足开绕组的驱动特性：相电压峰值可以达到全直流母线电压值．10.13245/j.hust.240393.F001图1从开绕组全桥到串联绕组电机控制器演化途径采用串联绕组拓扑结构可以在控制零轴电流为零的基础上实现对普通交流异步电机和同步电机的驱动，也可以通过控制零轴电流的方式对需要直流偏置的磁阻电机进行控制，在对象上有通用性．对于串联绕组型电机控制器，4个桥臂的开关实现16个矢量．同时由于零轴的存在，须在αβγ三维坐标进行空间矢量合成[12]．要实现串联绕组电机控制器与三相交流电机拓扑上的集成，只须开绕组连接方式，而无须改变电机电磁设计和热设计等．对于调速范围，可以实现相同直流母线电压下近倍增的效果．相同直流母线电压下，串联绕组下恒转矩区拓宽了近一倍．将该思想推广到多相电机，可以得到多相串联绕组电机控制器：对N相电机可以用N+1个桥臂实现之前开绕组全桥电机控制器须2N个桥臂实现的功能，因此这种集成方式也被称为N+1逆变器[13]．但是实现和开绕组全桥电机控制器一致的性能，N+1逆变器还须解决2个关键问题．首先是连接相序的问题．对N相电机，采用如同三相串联绕组电机控制器一样顺序连接绕组，由于相位差变小，因此无法实现全直流电压利用率．考虑相邻2个绕组差相位Δn，如图2所示．最后在最优化的相序下，可以实现和开绕全桥一致的电压利用率：相电压峰值达到全直流母线电压[9]．10.13245/j.hust.240393.F002图2N+1逆变器绕组相序连接方式另一个问题是，和三相串联绕组电机控制器共16个矢量做三维矢量合成相比，N相串联绕组电机控制器有2N+1个矢量，采用空间矢量合成的方法会非常复杂．而和普通Y接电机不同，串联绕组电机控制器的绕组电压由相邻2个桥臂电压决定．通过建立桥臂电压和相电压的关系，可以设计针对串联绕组电机控制器的载波比较PWM策略，实现简单而高效的脉宽调制和输出[14-15]．在同等功率等级下，对比串联绕组电机控制器和传统电压型逆变器，串联绕组拓扑集成可以在只增加一个桥臂的情况下，实现所有器件电压应力减少近一半．但是中间N-1个桥臂须承受线电流，电流应力会增加．如对于三相串联绕组集成控制器，中间桥臂的电流应力将增加到1.732倍[12]．1.2　悬浮电容型开绕组电机控制器对于开绕组拓扑，也可以将无源元件如电容引入电机系统，改善整个电机系统对外负载特性，提升功率因数．主逆变器连接直流电源，提供电机运行所需的有功功率；辅逆变器连接直流电容，提供电机运行所需的无功功率．另外，电容电压可以灵活控制，这种拓扑可以有效提升输出电压，拓宽电机的调速范围[16]．为尽可能利用主逆变器的无功补偿，应当控制辅逆变器产生系统所需的全部无功功率，从而使得主逆变器可以工作在单位功率因数．实际运行中，为了调整悬浮电容上的电压，须对电容进行充放电，也即须控制电容上的有功功率流入与流出[17]．悬浮电容充放电时电压与电流之间的相位关系如图3所示．图中：V⃗s为dq平面下电机定子合成相电压矢量(由主、辅逆变器共同合成)；V⃗M为主逆变器侧各桥臂输出电压在dq平面的合成矢量；V⃗F为辅逆变器侧各桥臂输出电压在dq平面的合成矢量；I⃗s为电机定子相电流在dq平面合成矢量；V⃗F沿I⃗s方向正交分解为同向分量VFp与垂直分量VFq，分别代表辅逆变器电压矢量V⃗F的有功分量与无功分量；θs为I⃗s与d轴的夹角，θM为V⃗M与d轴夹角，理想稳态情况下，θs=θM．10.13245/j.hust.240393.F003图3电压与电流之间的相位关系实际系统的主逆变器输出的电压与电机绕组电流的相位基本相同，电机系统对于直流电源呈现出单位功率因数的特性．稳态运行下悬浮电容只提供无功功率，其电压相对稳定，辅逆变器侧的电压与电流的相位约为90°．串联型拓扑因为其绕组双桥臂供电特性，在脉宽调制上有更多自由度，但是其实现也更复杂．映射桥臂电压和绕组电压的关系，是快速实现串联型集成的脉宽调制的主要思路．2 并联型集成方法串联型集成通过增加电压输出能力以改善调速范围和电气参数特性；并联型集成则是增加了对电机供电的输出支路，并引入了更多的对变频器调制自由度和电机驱动的控制自由度．一方面，更多的供电支路带来了更高的电机系统运行冗余度，在部分支路故障退出运行后，系统依然具备持续运行的能力，增强了系统的容错能力．另一方面，优化利用更多的驱动控制和调制自由度，可以改善变频器的供电特性及电机的机电能量转换特性，进而影响的电机的关键电磁参数，对中低频的振动噪声和中高频的电磁干扰都有明显的改善效果．对于并联集成型方法，通过脉宽调制实现对应高频成分抑制，同时每个并联模块还均分主功率．虽然器件数量相对常规电机控制系统成倍增加，但是每个器件的电流应力得到了分配，在整体功率等级一致的情况下，并联型集成半导体的容量也接近一致．2.1　逆变器并联供电拓扑传统三相电压型逆变器驱动电机缺少控制自由度，改善振动噪声和共模电磁干扰的自由度被严重限制，也不具备容错能力，即使采用电机和控制器的空间位置一体化集成也无法改变这一局限．而采用并联的逆变器驱动三相电机相关自由度可以得到明显的拓展．最典型的并联结构是直接将2个三相电压型逆变器通过电感或者互感并联后接入三相电机，2套逆变器的输出电压耦合之后加载在电机上[18]．采用这种并联的形式，某一个逆变器桥臂出现故障后，可以切掉其所属整套变频器，只保留一台健康的变频器给电机供电，从而获得故障容错运行的能力．并联下脉宽调制决定了开关频率及其整数倍附近的电磁激励，从而影响了转矩脉动和振动噪声．而更高频的电磁激励以高频电流的形式传播，尤其是通过电机系统对地回路的共模电磁干扰，造成电机绝缘和轴承的持续损坏，是电机系统可靠性的重要威胁．实现并联逆变器主动降低电磁转矩脉动和振动噪声的主要方法是载波移相方法．2套逆变器采用相同参考电压，但是载波进行角度Δθ的移相．这样，2套逆变器的输出电压在m倍开关频率分量上就实现了mΔθ的移相．在电流响应和转矩脉动分量上，就实现了2个逆变器的输出矢量叠加．对这些谐波分量可以实现对消．实现并联逆变器主动抑制共模电磁干扰的核心思路是在偶数个桥臂中选择共模电压为零的并联矢量进行参考电压合成．如图4所示，在并联逆变器中，2个相邻标准电压矢量合成得到6个并联矢量，正好都满足共模电压为零．图4中：V1~V6为普通两电平逆变器标准矢量；Vref为参考电压矢量．用这6个并联矢量合成参考电压，再将时间动态分配给2个逆变器，在保证2个逆变器开关周期内电压平衡的基础上，实现输出共模电压对消．结合死区和延时补偿，可以实现超过90%的共模电流抑制效果[19]．10.13245/j.hust.240393.F004图4并联逆变器载零共模PWM基本原理以上并联方法都是以逆变器本身的拓扑结构实现，并未与电机的端口和拓扑结构实现有机的组合．这种集成的结构须输出电抗或者耦合电感，将并联逆变器电端口合并为三相电机的3个电端口．外接并联电感造成了体积和成本的增加，以及可靠性的降低．基于广义电力电子-电机集成思路，以下将介绍并联型电力电子-电机深度集成的几个典型范例．2.2　多相电机系统上述逆变器并联的拓扑，具备了比传统三相变频器供电更多的冗余度，然而电机仍然为三相电机．当故障发生在电机本体的某个绕组上时，上述方案依然不具备容错运行的能力．实际上，电机采用变频器供电，而不是直接由三相电网供电，包含电机本体和变频器在内的整个电机系统可以突破三相的约束，变为多相变频器给多相电机供电形式[20-22]．此时，无论故障发生在变频器侧还是电机本体侧，只要在变频器供电下的电机绕组仍然能够合成圆形磁动势，并且变频器和电机不超过承受热量的上限，多相电机系统都可以容错持续运行[23]．多相电机系统具备了更多的自由度，对于一个m相两电平的变频器，开关组合的状态有2m种，这给PWM调制的优化带来了便利．以载波比较PWM为例，设置m个相三角载波依次相移2π/m的相位角，可以使得PWM调制所产生的共模电压得到优化[24]．对于一个五相电机系统，共模电压的峰峰值可以抑制为原来的40%；对于对称式六相电机系统，共模电压的峰峰值可以降低近乎100%，且不受死区等因素的影响．然而采用多相化的设计后，电机的驱动控制不同于经典三相电机，除了基波平面，其谐波平面也须加入控制，可能产生较高的相电流谐波或者出现相电流之间的不平衡，须对多个维度进行联合控制[25-26]．2.3　多三相电机系统基于逆变器并联驱动三相电机的结构可以实现载波移相消谐波和振动噪声及PWM共模对消共模EMI．如果直接电机构造成六个电端口，可以直接与并联逆变器互联，那么不论是振动噪声抑制还是共模抑制，都可以实现更深入的拓扑集成．最直接的并联逆变器-电机集成就是构造2套反电动势一致的双三相电机．这样，从逆变器角度看到的双三相电机和三相电机的平均电压是一致的．并联逆变器直接驱动双三相电机的结构与2台逆变器通过耦合电感并联后驱动三相电机具有一致性．2套绕组的反电动势一致性使之前在并联逆变器驱动三相电机的方法可以直接用于双三相电机驱动．在环流抑制上，2套绕组之间的互感将削弱环流抑制电感，在电机本体的设计上须使2套三相绕组之间的互感尽量小[27-28]．以转矩脉动和振动抑制为目标，针对双三相电机驱动可以采用载波移相PWM的方式[27]，电机仍采用外环速度环、内环dq解耦的电流环控制．在PWM环节，2套三相绕组采用同样的参考电压，但是载波实现有针对性的移相．这样，在电机驱动的低频效果上实现与常规三相电机一致，而开关频率及其整数倍的转矩脉动上则实现了载波移相的效果[27-29]．在关键位置的振动加速度也有明显的对消效果．针对转矩脉动主要为二次开关频率的对象，采用90°载波移相的双三相永磁同步电机系统中，转矩脉动实现了80%的抑制，关键部位最大振动加速度(2倍开关频率附近)也由12 m/s2下降为4 m/s2．针对共模抑制的需求，由于2套三相绕组反电动势一致，因此可以将并联逆变器零共模PWM方法直接应用于双三相电机中．以2套绕组对应相电流之和为内环控制对象产生参考电压，送入并联零共模PWM模块．实验结果证明，采用双三相零共模调制方法共模电压理论上也能消除．即使考虑非理想因素，共模电流可以下降90%以上．实验结果中，2套三相绕组的共模电压对消，电机的机壳电压也能得到明显的下降[18]．在双三相电机中，2套三相绕组反电动势一致只是一种特例．实际上2套三相绕组的反电动势相位可以有差别．在2套三相绕组中，相位差Δθ可以是任意值．对于载波移相PWM，直接移相载波相位不受基波相位差Δθ影响，对于开关频率及其整数倍的转矩脉动和振动的抑制效果是有效的．但是当Δθ不为零时，基本的并联逆变器零共模PWM无法在双三相电机中直接应用．但是双三相电机的六桥臂驱动，在数学上存在保持共模电压为零的可能．因此电力电子-电机集成方法也可以考虑对任意双三相电机实现共模电压对消的方法．针对任意移相角度的双三相电机，可以在SPWM条件下，通过脉冲顺序连接的方法实现共模对消．在2套三相绕组都满足三相正弦参考电压下，每个开关周期内6个脉冲的占空比之和都为3，这样可以通过脉冲首尾相接的方法，保证共模电压在每一时刻都为零[29]．在2.1节中提到的双三相电机应用中，载波移相的目标是开关频率及其整数倍的转矩脉动和振动抑制，零共模PWM的目标是实现共模电压的对消．这2个目标是不完全一致的．归根结底就是因为2套逆变器并联时，只有一个自由度作为优化目标．要同时实现共模对消和振动抑制，必须增加并联的自由度．从广义的电力电子-电机集成思路出发，采用多模块电机驱动的方式可以实现振动和共模抑制的同时实现．图5是多模块电机驱动系统的框图．电机由2N套三相绕组组成．每套三相绕组组成一个模块，由一个三相逆变器驱动．图5中，每相邻2组三相模块组成一组驱动，可以利用双三相零共模PWM实现组内共模电压对消的效果，N组双三相电机都在组内就实现了零共模输出．在此基础上，组和组之间实现载波移相，进一步在电机的开关频率及其整数倍的转矩脉动和振动上实现改善[30]．10.13245/j.hust.240393.F005图5多模块电机驱动系统框图以四模块电机为例，设计一台四模块内嵌式永磁同步电机，4套三相绕组在电机中形成4组相同的反电动势，通过绕组的排布设计，不同绕组的互感可以控制在主电感的10%以内．将4套三相绕组分为1-2组和3-4组．每组之内有2套三相绕组，可以采用共模对消的方式实现组内共模电压为零，4套三相绕组的共模电压自然也就控制为零．进一步，在1-2绕组和3-4绕组间实现载波的移相90°，从而抑制开关频率2倍频率的转矩脉动和振动．实验结果表明：采用四模块电机驱动，结合组内的零共模PWM和组间的载波移相，可以使共模电流下降80%以上，同时高频振动加速度峰值下降50%．并联型集成中脉宽调制方法实现特定谐波和共模电压的对消是性能改善的主要思路．3 特种电机集成广义的电力电子-电机集成的2个主要拓扑集成路线所针对的电机都是通用的交流电机，即交流同步电机或者异步电机．即使在集成上对绕组结构有所改变，也是基于旋转磁场的基本物理原理，并依赖于通电导体在外磁场受到洛伦兹力的基本物理原理形成电磁力和电磁转矩．描述电磁机构的电磁力中，从力的方向出发，除了产生转矩的切向力，还有径向电磁力；而除了常规交流电机中产生的洛伦兹力，还有作用力与电流方向无关的麦克斯韦力．这些物理特征成为以磁悬浮轴承和磁阻电机为代表的特殊原理和结构的特种电机的基础．这些特征使特种电机与电力电子的集成也有新的挑战，其物理原理和控制自由度的变化使集成思路也不局限于常规电机的串联和并联方法．本节通过多轴磁悬浮轴承和磁阻电机介绍电力电子与特种电机集成的例子．3.1　多轴磁悬浮轴承控制器多轴磁悬浮轴承是特种电机实现广义的电力电子-电机集成的一个典型案例．和普通的交流电机与电力电子集成不同，磁悬浮轴承是一个多自由度控制系统，其拓扑构成的优化是须全局综合考虑的问题．基于电磁机构基本原理，多轴磁悬浮轴承系统中每一轴采用外环位置闭环控制，内环电流闭环控制实现对转子的动态悬浮．对每一轴，两侧定子绕组产生电磁力实现动态位置控制，其绕组电流是直流偏置电流叠加动态的控制电流．因此磁悬浮轴承的电力电子控制器也以此进行设计．和交流电机普遍基于洛伦兹力不同，磁悬浮轴承的电磁力是典型的麦克斯韦力，在绕组电流中注入单方向的电流并能动态控制．传统控制器拓扑如图6所示，每轴2个绕组分别由独立的H半桥驱动．对于N轴磁悬浮轴承控制器就需4N个开关管和4N个二极管，电力电子器件数量巨大，同时也存在更多的器件损耗和故障．10.13245/j.hust.240393.F006图6磁悬浮轴承电力电子控制器基于磁悬浮轴承多自由度控制的特点，广义电力电子-电机集成的概念有新的应用，即全局优化控制器拓扑结构，采用器件复用的方式实现整体器件数量的减少．如图7所示，首先采用各个绕组共桥臂的思路实现共桥臂控制器．一个公共桥臂接入N轴2N个绕组一端，其他2N个桥臂通过调制来控制绕组电流．这种方法实现了整体器件接近减半，但是公共桥臂须承受所有绕组电流之和的应力和对应的损耗．考虑到磁悬浮轴承基于麦克斯韦力与电流方向无关的特点，将其中一半的绕组电流反向，则可以实现公共桥臂正负电流中和，大大降低电流应力，这就是图7(b)展示的反向共桥臂集成拓扑．进一步，对于一个悬浮平面两轴磁轴承的4个绕组，因为每一轴的2个绕组电流之和等于2倍偏置电流，所以可以进一步省去公共桥臂，实现四桥臂控制器，如图7(c)所示．借鉴串联集成中串联绕组拓扑的概念，可以实现2N+1个半桥桥臂驱动N轴磁轴承的2N的绕组，每个绕组等效一个H桥驱动的效果，如图7(d)所示[31-34]．10.13245/j.hust.240393.F007图7多轴磁悬浮轴承系列全局优化控制器利用磁悬浮轴承与磁阻电机基于麦克斯韦力的相似特征，相关拓扑也可以用于多相磁阻电机的集成驱动．3.2　电流反向重构容错控制器多轴磁悬浮轴承的集成控制器利用了多自由度特征进行全局优化，而磁悬浮轴承和磁阻电机等基于磁阻力(麦克斯韦力)的特种电机的另一个集成自由度来自电磁力，与电流方向无关，从而实现电流反向重构容错．常规交流多相电机的容错控制是基于洛伦兹力的容错重构，容错集成方法能重构失效的电流或磁链等．对于重构失效电流，若在失效的原路径上做器件备份，则不但须重新设计功率模块，而且原失效的器件故障容易扩散在备份器件上．基于麦克斯韦力与电流方向无关的特点，磁阻电机和磁悬浮轴承可以配置为电流反向容错模式．即在故障发生后，直接在原绕组中构造反向电流，产生相同的电磁力或电磁转矩，维持原机械运动[31,35]．电流反向容错的概念如图8所示．这一概念可以应用于磁阻电机或者磁悬浮轴承．在容错控制中，维持外环(磁阻电机-速度环/磁悬浮轴承-位置环)不变，在内环(电流环)中设置反向容错模式．在电路上，采用全桥模块驱动绕组电流，可以分为电流正向驱动器件和反向驱动器件．当正向器件出现故障的时候，可以通过电流特征诊断故障，迅速封锁正向器件脉冲，并启动反向电流模式．这一模式很好地利用了商用全桥模块已有的结构，并且更好地隔离了故障．10.13245/j.hust.240393.F008图8电流反向重构容错概念图采用反向电流容错的电力电子-电机集成方式可以应用于各类型的磁阻力电机．在开关磁阻电机和游标磁阻电机中，在驱动电路中配置全桥拓扑即可实现．对于磁悬浮轴承，针对图7中每一种拓扑，都可以配置成全桥容错模式．如图9所示，针对磁悬浮轴承的反向共桥臂控制器，每个桥臂配置为双向模式，即构造为容错控制器．当一个器件出现断路故障，原始控制电流方向能力丧失，电流特征判断出故障时，封锁掉原方向器件，启动反向器件并将电流按反向控制．这个过程持续不超过0.1 s，转子位置波动不超过100 μm，全过程保证了稳定悬浮．10.13245/j.hust.240393.F009图9磁悬浮轴承反向共桥臂容错控制器4 结论与展望以电力电子组合驱动为特征的新一代电机传动系统面临着高效宽调速范围、电磁干扰和共模电流及故障容错等挑战．实现电力电子和电机一体化集成是应对这些挑战的一个重要手段．但是与简单的空间位置集成不同，真正的电力电子与电机集成须综合电机和控制器在电磁组合上的特点，实现控制自由度的拓宽，从而全面有效应对相关挑战．以这一思路进行了分析，介绍了三类电力电子与电机集成的范例．从电机系统级拓扑出发，电力电子-电机集成可以分为串联型和并联型．首先打破传统电机Y接驱动的局限，通过开绕组的方式实现调速范围拓宽和零序注入的串联型集成方式，进而通过器件复用的思路提出串联绕组电机控制器，在只增加一个桥臂的情况下实现调速范围近倍增的效果．也可将无源元件(如电容)，引入开绕组电机系统，改善整个电机系统的对外负载特性，提升功率因数．针对容错、振动和电磁干扰的问题，在原理分析的基础上，通过并联的思路介绍了通过电力电子主动抑制振动和电磁干扰的方法，进一步提出了双三相电机控制器和多模块电机控制器的思路，实现在集成条件下的振动和电磁干扰抑制．针对基于麦克斯韦力(磁阻力)的特种电机集成的需求，在分析电磁力重构的物理原理的基础上，提出多轴磁悬浮轴承集成控制器和基于麦克斯韦力的电机/磁悬浮轴承电流反向重构容错的方法．广义电力电子-电机集成系统及代表性范例如图10所示．10.13245/j.hust.240393.F010图10广义电力电子-电机集成系统及代表性范例串联型集成方法的优势是在直流母线电压受限的场合有效地拓宽了调速范围，对于电动汽车等应用有重要的应用前景；并联型集成方法通过优化脉冲实现了振动和电磁干扰的有效抑制，适用于船舶电推进和航空电作动等高要求场合；特种集成方法针对特殊需求，也有重要的应用前景，特别是磁悬浮轴承在高速旋转机械应用中是重要的技术．这一系列技术形成了广义电机集成系统的核心概念：利用电机和电力电子自由度的匹配实现关键性能的改善．列举的范例只是已有的拓扑-控制自由度集成的部分内容．以此为出发点结合更多应用背景，能够衍生出更为广泛的集成案例，在追求高功率密度、高品质和高可靠性的应用场合发挥其优势．这样的技术有机地融合了电力电子和电机的自由度，发挥出超越传统电机驱动的优势，也在学科上交叉出新的增长点，成为电力电子化的电机系统．