低速大轉矩永磁電機伺服系統集成設計關鍵技術研究

《低速大轉矩永磁電機伺服系統集成設計關鍵技術研究》是依託天津大學，由夏長亮擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：低速大轉矩永磁電機伺服系統集成設計關鍵技術研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：夏長亮
• 依託單位：天津大學

項目摘要

從電機與控制系統、電機與變頻電源間的關係角度建立低速大轉矩永磁電機伺服系統數學模型，開展全時域暫態過程分析，闡明由電機結構參數、控制參數到系統性能指標的映射關係，揭示電機、控制系統、變頻電源相匹配的實現機理；分析變頻電源供電條件下電機氣隙磁場與定子電流的相互影響，研究能夠削弱定子齒諧波與變頻電源輸出諧波、實現電機氣隙磁場正弦分布的設計方案；探討以動態檢測為基礎的電機最佳化控制策略及去磁故障處理方法，結合最佳化磁路結構等靜態預防方案，有效避免永磁體磁場波動和不可逆去磁誘發的電機發熱及轉矩脈動；在此基礎上，建立低速大轉矩永磁電機伺服系統集成設計理論體系，通過改進電機電磁結構方案、調整電機設計參數，使控制系統能夠在調節電磁負荷方面發揮更大作用，在有限體積與有限散熱能力條件下實現系統指標的綜合最優。

結題摘要

針對低速大轉矩永磁同步電機伺服系統，從電機分析及最佳化設計、運行控制和系統集成等方面進行了深入研究。建立了低速大轉矩永磁電機伺服系統數學模型，基於該模型分析了電機齒槽效應、槽結構、磁極形狀、變頻電源拓撲以及控制器參數等因素對系統性能影響，闡明了電機結構參數、控制參數到系統性能指標的映射關係；研究了電機轉子磁場與定子電流的相互作用，通過採用不等厚磁極結構，彌補了在獲得正弦氣隙磁場分布方面的不足；針對電機最佳化設計屬於多變數、多約束、非線性、混合離散規劃的問題，提出了自調節自進化粒子群算法，改善了最佳化過程中的尋優性能和求解可靠性；分析了低速域永磁同步電機轉矩波動的主要誘發因素，將永磁同步電機轉矩、磁鏈方程及電壓矢量相結合，推導了電壓矢量與轉矩、磁鏈變化率間的解析關係，提出了轉矩量化控制的新型直接轉矩控制策略，有效降低永磁同步電機轉矩波動幅值；研究了負載轉矩及系統轉動慣量變化對系統性能的影響機理，提出並設計了基於轉動慣量辨識的自適應擾動觀測器，有效地提高了系統的動態性能；分析了永磁同步電機線上多參數辨識時的耦合問題，提出了矢量控制策略下的d軸負序電流瞬時注入神經網路解耦辨識方法，該方法兼顧了逆變器壓降、死區等因素對參數辨識精度的影響，進而保證了高精度運行控制的可行性；針對非線性摩擦力矩導致的永磁同步電機低速域爬行問題，建立了LuGre摩擦力矩模型，結合自適應控制和反推設計法，提出了基於反推自適應控制的摩擦力矩補償策略，有效緩解了電機低轉速波動現象，顯著削弱了摩擦力矩對電機低速運行性能的不利影響；研究了低速域的速度辨識技術以及系統起動過程中的轉子位置估計方法，提出了基於Sigmoid函式滑模觀測器和反電勢觀測器的新型位置估算方法，提高了估算轉子位置和轉速的估算精度；針對永磁同步電機速度測量中存在的微分過程及濾波延遲問題，提出了適用於永磁同步電機測速系統的自適應卡爾曼觀測器，解決了永磁同步電機低速運行時，傳統方法計算的轉速存在轉速誤差及時間延遲的問題，有效提高了系統的轉速跟蹤能力。基於上述系統設計方法與運行控制策略，研製了低速大轉矩永磁同步電機伺服系統樣機，並對相關性能進行了實驗評估。