面向一类非正弦波永磁同步电机的建模与控制方法的研究

Doubly salient permanent magnet synchronous machine (DSPM) is widely used in many fields because of its numerous advantages such as: simple structure, good fault-tolerance, reliable operation, high power density. But due to the special structure of the DSPM machine, it has special non-sinusoidal waveform characteristics which affect the machine dynamic performance and increase the torque ripple. The rectangular current and classical three phase sinusoidal waveform current cannot eliminate the torque ripple on account of the same variation of the permanent magnet flux and the inductance of the non-sinusoidal waveform machine. As a result, one non-sinusoidal waveform tooth-DSPM machine is regarded as the research object in this project. For the sake of eliminating the torque ripple and improving the machine dynamic performance, we will use electromagnetic field finite element method, genetic algorithm, fast Fourier transform and Matrix theory to research on the control algorithm and control strategy. The encountered scientific problems which need to be solved are: 1) the formation of the non-sinusoidal waveform machine torque ripple; 2) explore the current waveform to eliminate non-sinusoidal waveform machine torque ripple; 3) non-sinusoidal waveform machine decoupling control strategy and control algorithm research. Finally, using MATLAB and RT–LAB to verify the machine model and control algorithm.

双凸极永磁同步电机（DSPM）由于结构简单坚固、容错性好、运行可靠、功率密度高的众多优点，在很多领域得到重用。但是DSPM电机的特殊结构，导致了非正弦波特性，进而直接影响了电机的动态性能并且增加了转矩脉动。由于非正弦波电机的永磁体磁链与电感具有相同的变化率，使得常规的矩形电流和三相正弦电流难易满足消除转矩脉动的要求，因此，本项目以非正弦齿极DSPM电机为研究对象，以消除转矩脉动提高电机运行性能为目的，以电磁场有限元分析、遗传算法、快速傅里叶变换以及矩阵论等为技术手段，展开对DSPM电机控制算法和控制策略的研究，重点解决所遇到的若干关键性科学问题：1）非正弦波电机转矩脉动的形成规律；2）探索消除非正弦波电机转矩脉动电流形式；3）非正弦波电机解耦控制策略与算法的研究。最后，利用MATLAB软件和RT-LAB半实物仿真平台对电机模型和控制算法进行验证与测试.

双凸极永磁同步电机（DSPM）是一类永磁体和电枢绕组均位于定子的新型永磁无刷电机，是定子永磁型电机的一个重要分类。该电机可方便地对永磁体和电枢绕直接冷却，且方便实现对电机气隙磁场的直接控制，从而能够进行宽范围调速；凸极转子既无永磁体也无绕组，结构简单可靠。该种电机兼具了功率密度高、效率高、容错性能好、控制灵活等众多特点。因此，该类电机可以广泛的应用于可再生能源领域的风力或海流发电机，飞轮储能，电气化轨道交通中的电动汽车、船舶与海洋平台的电力推进和动力定位系统等各个领域，是款极具有研究潜力和应用潜力的电机。但是由于非正弦波DSPM电机的特殊的双凸极结构，导致了该电机的永磁体磁链具有单向性，且与电感具有相同的变化率，从而使得常规的矩形电流和三相正弦电流难以满足消除转矩脉动的要求。因此，本项目以非正弦波DSPM电机为研究对象，以消除转矩脉动提高电机运行性能为目的，以电磁场有限元分析、遗传算法、快速傅里叶变换以及矩阵论等为技术手段，展开对非正弦波DSPM电机控制算法和控制策略的研究，重点解决以下几个关键的科学问题：1）得出了非正弦波 DSPM 电机的模型和转矩脉动的形成规律；2）探索出了能够消除非正弦波 DSPM 电机转矩脉动电流形式以及各个谐波分量表达公式；3）求取了能够解耦非正弦波 DSPM 电机 dq 轴变量的旋转矩阵；4）对比分析了非正弦波DSPM电机有无互感的运行性能，指明了该电机进一步优化方向；5）研究了基于非正弦波 DSPM 电机非线性模型的智能控制算法和控制策略。这些问题的解决都将为这类非正弦波定子永磁型电机在各个领域的大范围推广提供必要的理论支撑，也为下一步的研究指明了方向。