航空电励磁双凸极电机宽转速域低转矩脉动无位置传感器控制研究

Doubly salient electromagnetic machine (DSEM) can constitute a competitive aero starter/generator (S/G) system with high reliability, and it has been verified on an aircraft. Position sensorless control is a key technique to further improve the reliability, power density, and integration of DSEM S/G. However, the preparatory study found that torque ripple is introduced over wide speed range when the current position sensorless techniques are applied to DSEM. Therefore, this project proposes to research the position sensorless control with low torque ripple for aero DSEM over wide speed range. The main research contents are included as follows: i) For the initial startup, a novel initial rotor position estimation method without extra test pulse injection is proposed. ii) For the speedup at low speed, a position sensorless speedup technique is put forward, where the drive current and test current can be decoupling controlled. iii) For the medium and high speeds operations, a novel position sensorless control strategy with low torque ripple is investigated, where the advanced angle commutation control can be applied. This project will help to reveal the principle and operating characteristic of position sensorless control with low torque ripple for DSEM over wide speed range, expand the theory and applications of DSEM, S/G, and position sensorless control, build independent intellectual property rights on the aero DSEM S/G without position sensor, and establish the theoretical and technical basis for the realization of national novel high-reliability S/G system.

电励磁双凸极电机（DSEM）可构成一种具有竞争力的高可靠性航空起动/发电机（S/G），已得到试飞验证。无位置传感器控制是进一步提升航空DSEMS/G可靠性、功率密度及集成度的关键技术，但现有研究无位置传感器控制技术应用于DSEMS/G在宽转速域均会引入转矩脉动。基于此，本项目提出对航空DSEM宽转速域低转矩脉动无位置传感器控制进行研究，主要研究内容包括：针对初始起动，研究无需检测脉冲注入的转子初始位置估计策略；针对低速起动，研究驱动相与检测相电流解耦控制的无位置传感器起动控制方法；针对中高速，研究适用于提前角度换相的无位置传感器控制策略。本项目将揭示航空DSEM宽转速域低转矩脉动无位置传感器控制规律及运行特性，拓展DSEM、S/G及无位置传感器控制的理论研究和应用领域，形成具有完全自主知识产权的航空无位置传感器DSEMS/G技术，为我国新型高可靠性S/G系统的实现建立理论与技术基础。

起动发电机利用一台电机实现起动和发电双功能，大幅提高电机利用率与系统功率密度。针对电励磁双凸极电机（DSEM）构成的极具竞争力的航空起动发电机系统，为解决传统DSEM系统中位置传感器带来可靠性与功率密度降低的问题，本项目对DSEM低转矩脉动无位置传感器控制技术展开了研究，主要研究内容如下：.1、研究了无需脉冲注入的DSEM转子初始位置估计方法。分析了初始磁场建立过程中各物理量变化特性，获得了磁场建立过程绕组感应电压与转子扇区对应关系；并基于DSEM电感曲线几何相似关系，得到了高分辨率的转子初始位置角估计方法。.2、研究了低转速域DSEM低转矩脉动无位置传感器起动控制方法。探究了传统通电规则下，转子初始位于扇区边界时电机起动转子出现抖动、反转的机理；研究了考虑扇区边界的DSEM初始无反转通电策略；基于磁路饱和对电机电感的影响规律，研究了不影响驱动相电流的低速起动阶段DSEM转子位置估计策略。.3、研究了适用于提前角度换相的中高转速域DSEM低转矩脉动无位置传感器控制策略。分析了DSEM反电势特征量与标准换相位置、提前角度换相位置的对应关系；基于DSEM通电特性，研究获得了不受中性点电压波动影响的DSEM中高速无位置传感器提前角度换相控制方法；在此基础上分析了磁阻反电势、低通滤波器引起的转子位置估计误差，并研究获得了相位补偿策略。.4、研究了提升DSEM的电流分配控制及模型预测控制策略。分析了DSEM各部分损耗与励磁电流、电枢电流的对应关系，基于有限元损耗计算模型，获得了多种工况下损耗最小的励磁电流与电枢电流分配策略；为提升系统控制性能，研究了改进型DSEM双矢量模型预测控制方法。.本项目执行期间，搭建了2套DSEM起动发电机实验平台，培养硕士研究生8名，共发表相关论文10篇，其中SCI收录的期刊论文7篇，EI收录国际会议论文2篇，申请国家发明专利6件，其中获得授权2件。