双定子印制绕组轴向磁场高性能永磁同步电机的理论及控制策略研究

Low torque ripple, high dynamic performance are today's hot research of high performance permanent magnet synchronous motor and its driving system; Recent investigations have indicated that cogging torque , back-EMF harmonics , saturated magnetic circuit and drive current harmonics are the main causes which produce PMSM torque ripple. Thus, it is of great theoretical value and application value for high performance PMSM to establish a new class PMSM which is soltless, and its harmonic of sine wave back-EMF is small, and present targeting improved control strategies. At firstly，in our project, a high performance permanent magnet synchronization motor with axis magnetic field, double stator, three-phase printed winding is constructed, and parameters of motor are obtained by using electromagnetic design calculation method combined with magnetic road and circuit method, and then a optimizational parameter programme is obtained by optimization designing to attain the minimum torque ripple caused by the motor ontology; Furthermore, the PMSM and its control strategy model are built, researched and simulated, and then its improvement control strategy of high performance suitable for the PMSM is presented; Finally, the correctness of the theoretical analysis experiment is verified and confirmed by experiments.

低转矩脉动、高动态响应性能是当今高性能永磁同步电机及其驱动系统的研究热点；已有的研究表明，产生PMSM转矩脉动的原因有定位转矩、反电势谐波、饱和磁路和驱动电流谐波。因此，通过建立一类新型的无齿槽、正弦波反电势谐波很小的PMSM，进而提出有针对性的改进控制策略，对获得PMSM的优良性能具有重要理论探索价值和应用参考价值。为此，本课题将首先构建轴向磁场、双定子三相印制绕组的高性能永磁同步电机，运用磁路和电路结合的方法进行电磁设计计算获得电机的各种参数，并以电机本体引起的转矩波动最小为目标进行最优化设计的研究和计算，得出有效的参数优化方案；然后对所建立的PMSM及其控制策略模型进行研究和仿真，提出适合于本课题PMSM的、控制性能优良的改进控制策略；最后通过实验来验证理论分析的正确性。

低转矩脉动、高动态响应性能是当今高性能永磁同步电机及其驱动系统的研究热点；已有的研究表明，产生 PMSM 转矩脉动的原因有定位转矩、反电势谐波、饱和磁路和驱动电流谐波。本项目通过建立一类新型的无齿槽、正弦波反电势谐波很小的 PMSM，进而提出有针对性的改进控制策略，对获得 PMSM 的优良性能具有重要理论探索价值和应用参考价值。我们开展了如下五个方面的研究：. 1.研究产生一种新类型电机——三相对称印制绕组永磁电机，丰富了电机设计理论。采用双定子印制绕组、轴向气隙磁场结构，消除了电机本体引起转矩脉动的三大因素：(1)定位转矩；(2)反电势谐波；(3)磁路饱和；. 2.研究产生了一种三相对称印制绕组的制作方法：剪断6个外端头焊点实现断开有刷印制绕组12根导体产生6个线圈，两两组成相绕组，按星型连接引出三相绕组。该绕组在性能上完全对称，通过对不超过4个设计变量的优化设计，实现将转矩波动控制在1%以内；. 3.研究编制了三相对称印制绕组及优化设计程序，以电机本体引起的转矩波动最小为目标进行最优化设计的研究和计算，得出有效的参数优化方案。该设计程序属于国内唯一、功能远超国外，可以准确快速设计计算电机性能参数及制造所需数据；. 4.为了减少转矩脉动、提高系统鲁棒性等，本项目对永磁电机进行控制策略研究，引入了扩展卡尔曼滤波器、模糊策略优化逆变器、模糊RBF神经网络、模糊变步长神经网络、基于带有惯性因子的粒子群算法的参数估计器等，为永磁电机控制理论提供有价值的参考；. 5.制作了两台样机，对样机进行了参数、性能的测量和控制测试，结果均与理论计算的结果相符合，误差在允许范围之内，说明理论分析和所建模型的正确性。. 本项目研究的新类型电机具有转矩脉动低、功率密度高和轴向尺寸短等突出优点，在移动式小型机器人关节用电机等控制精度要求较高的领域中将具有良好的应用前景。