基于代偿理论的多相永磁电机无位置传感器系统研究

Permanent magnet (PM) motors have been widely used in the high reliability applications such as electric vehicles (EVs). Fault-tolerant technology is an important way to improve the reliability for the PM motors. Breaking through the shackles of fault-tolerant technology of the traditional PM motors, starting with the system design rules and considering the motor and the drive controller together, a novel concept of the application of “compensatory theory” is proposed in this project. Then, the mutual compensation under multi-function module fault for the motor drive system including the motor, the controller and the position detection is achieved. The motor design theories such as “flux-intensifying”, “multiphase motor” and “fault-tolerant motor” etc. are combined with the PM motor to creatively propose a multiphase PM motor with high efficiency energy and high reliability which is suitable for sensorless control and EVs’ operation. This project mainly focuses on the fundamental scientific problems, including the search of the optimal topology for the motor drive system with high efficiency energy and high reliability, the exploration of the active senseless strategy for the various operating conditions of EVs, the revelation of the coupling mechanism between the motor winding fault and the position sensor fault, and the discussion of the general rule of improving the sensorless operating performance of the motor drive system, etc. The relatively complete sensorless theory and technical framework are established for the multiphase PM motor to lay the groundwork for subsequent research and application. Hence, this project not only has an important scientific significance and academic value, but also has a promising application prospect.

永磁电机在电动汽车等高可靠应用领域中得到广泛应用，容错技术是提高其可靠性的重要途径。突破传统永磁电机容错的技术束缚，从系统设计规律入手，统筹考虑电机和驱动控制器，提出运用“代偿理论”的新颖理念，实现多变运行工况下电机驱动系统中电机、控制器、位置检测多功能模块故障下相互代偿。将“磁场增强”、“多相电机”与“容错电机”等电机设计理论与永磁电机相融合，创造性地提出一类适合无位置传感器控制和电动汽车运行特点的高能效高可靠多相永磁电机。本项目旨在寻求实现高能效、高可靠的电机驱动系统之最佳拓扑结构，探索适合电动汽车多运行工况的主动式无位置传感器策略，揭示电机绕组故障和位置传感器故障的耦合作用机制，探讨提高电机驱动系统无位置传感器运行性能的一般规律等基础科学问题，形成较为完整的多相永磁电机系统无位置传感器理论与技术体系，为后续研究与应用奠定基础，不仅具有重要的科学意义和学术价值，而且应用前景广阔。

为满足电动汽车对电机驱动系统高效能、高可靠性和强容错的要求，本项目统筹考虑电机和驱动控制器，创造性地提出了基于代偿理论的多相永磁电机无位置传感器驱动系统。在电机设计阶段，提前考虑无位置传感器运行性能，提出了一种五相磁场增强型永磁容错电机的新结构，从理论和实验层面验证电机原理的正确性和结构的可行性。在驱动控制方面，提出相应的驱动控制策略、容错控制策略、无位置传感器控制策略，以充分发挥电机的高效能、强容错的特性。. 本项目采用理论分析、有限元仿真、实验研究等方法，对五相磁场增强型永磁容错电机无位置传感器驱动系统进行研究，取得一些重要结论和成果：1）提出了基于主动式无位置传感器策略的五相磁场增强型永磁容错电机新结构，该电机具有高能效、良好的容错性能和无位置传感器运行性，结构简单、可靠性高。2）提出了新型主动式MTPA策略，实现五相磁场增强型永磁容错电机多变工况下MTPA点的高精度跟踪。3）基于稳健控制器，提出基于扰动自适应的容错控制策略，实现五相磁场增强型永磁容错电机开路故障下的容错无扰运行。4）提出了一种基于频带自适应的次级谐波抑制方法，提高了多工况下转子位置检测精度。5）提出了一种强鲁棒容错控制的无位置传感器控制方法，实现故障下转子位置高精度检测。6）研究了代偿理论下的五相永磁电机无位置传感器驱动系统，从电机设计和控制的角度，提出稳健的电机容错无位置传感驱动系统，综合提高驱动系统的容错性能和无位置传感器运行性能。7）研制了实验样机，并构建电机驱动系统实验平台，对电机驱动系统性能进行综合评估。. 本项目提出的基于代偿理论的多相永磁电机无位置传感器驱动系统，不同于现有的拓扑结构，具有原创性，结构简单、控制灵活、技术先进，非常适用于电动汽车领域。此外，该技术还可以应用到舰船推进、航空航天、军事装备等其它对安全可靠性要求很高的场合，对于国民经济建设和国防安全具有战略性影响。