单定子双转子对转永磁同步电机动态不平衡负载直接转矩控制研究

The electric power-driven Contra-rotating propellers (CRPs) technology is the development tendency of modern ship and underwater vehicles. This project studies direct torque control (DTC) method of a novel single stator, dual-rotor contra-rotating permanent magnet synchronous motor (SSDR-CR-PMSM) for CRPs drive systems. With vector control, there happens large torque ripple and undesirable dynamic response under dynamic unbalanced load. In order to solve these problems, this project proposes a better solution, which takes advantages of less control transform and fast dynamic response of DTC method. This project will study the mechanism of torque production, the stator flux identification method and strategy for choosing an optimal stator voltage vector of the SSDR-CR-PMSM, and build a whole direct torque control strategy for the SSDR-CR-PMSM. This project will solve the problem of control brought by coupling between two torques, and the stator flux identification. This project also build an innovative stator flux identification model based on model reference adaptive control theory, and propose a new solution of two torque hysteresis loop, one magnetic linkage hysteresis loop and choosing optimal stator voltage vector. The application of this project will offer theory and technology foundation for high performance contra-rotating propeller drive instruments.

基于电力驱动的对转螺旋桨技术是现代舰船和水下航行器推进技术的发展趋势。本项目研究一种对转螺旋桨驱动用新型单定子、双转子对转永磁电机的直接转矩控制，针对该新型电机矢量控制在动态不平衡负载下的转矩波动大、动态响应不理想等问题，利用直接转矩控制方法控制变换少、动态响应快的优点，提出该新型电机控制的更优解决方案。项目拟研究单定子、双转子对转永磁电机不平衡负载下转矩产生机理、定子磁链辨识的方法、电机定子电压空间矢量选择策略，建立单定子、双转子对转永磁电机直接转矩总体控制策略。项目将解决两个转矩相互关联、耦合给控制带来困难的问题，解决负载不平衡下，定子磁链辨识等关键问题。项目创新地利用参考模型自适应理论来建立准确的定子磁链辨识模型，提出了建立两个转矩滞环，一个磁链滞环，以及最优定子电压空间矢量的选择新思路。项目的实施将为高性能对转螺旋桨驱动装置的研制提供理论和技术的支撑。

对转双转子电机由于其结构本身提高了能源利用率和电机效率，适用于各种舰船、水下航行器的推进。然而，当两转子的负载转矩不平衡时，若双转子电机控制不当，则转子的转速会出现较大的脉动，甚至发生转子失步现象。针对此问题，本项目提出了以下研究目标：不平衡负载下转矩产生机理、定子磁链辨识的方法、电机定子电压空间矢量选择策略，建立单定子、双转子对转永磁电机直接转矩总体控制策略。.通过项目研究，已提出单定子、双转子对转永磁电机的设计和特性分析，基于动态主从控制策略，实时切换参考坐标系的动态滑模控制策略，双转子直接转矩控制与负载转矩补偿相结合控制策略等，主要成果有：.1）提出一种实时切换参考坐标系的动态滑模控制策略。通过实时比较转矩角大小以切换控制所需的坐标系来实现双转子的动态控制。同时，针对动态控制系统易受到负载扰动影响的问题，构建非奇异快速终端滑模速度控制器以提高系统的鲁棒性。.2）提出了双转子直接转矩控制与负载转矩补偿相结合的控制策略。该策略对两转子进行直接转矩控制，同时采用负载转矩观测器对两转子的负载转矩进行观测并前馈补偿于控制系统中, 以提高负载突变量较大时系统的鲁棒性。.3）项目已培养学生13名，其中博士毕业2名，硕士11名；共发表期刊论文13篇，其中SCI收录3篇，EI收录8篇，另外发表了国际会议学术论文1篇；申请国家发明专利2项，其中授权1项，另1项进入实审阶段；取得软件著作权3项。