超高速永磁同步电机系统刚柔及电磁耦合动力学建模与控制研究

Ultra high-speed motor is widely used in industrial manufacturing, aerospace, healthcare, defense industry and other fields. But the corresponding basic research cannot meet the application requirements. According to the structure characteristics and problems of chattering, matte, the modeling and control of dynamic of ultra high-speed permanent magnet synchronous motor are studied. First, for the limitations of traditional motor model, a ultra-high-speed permanent magnet synchronous motor dynamics is established, which includes mutual coupling of the system structure rigid, transmission flexibility, electrical and magnetic properties etc. Therefore, the effects on the dynamic model by the key factors including the structure of ultra-high-speed motor parameters, electromagnetic properties, thermal properties, load, etc are analyzed. Considering both the control of technical indicators and efficiency indicators, a multi-objective optimization method to optimize the design parameters of the motor system is proposed. Further, research on the current dead zone prediction compensation technique for the dead zone of the external drive control signal. For internal nonlinear factors (such as parameter uncertainty, un-modeled dynamics, etc.), direct torque control based on adaptive and robust technique with sensorless speed estimation is designed for ultra high speed permanent magnet synchronous motor system. And the mechanisms and performance are analyzed.Finally, the research results are analyzed and verified by experimental system , which provide important theoretical basis and technical support for ultra high-speed permanent magnet synchronous motor system.

超高速电机在工业制造、航空航天、医疗和国防工业等领域得到广泛应用，但相应基础研究远不能满足其应用需求。本项目根据超高速永磁同步电机的结构特点以及运行时的抖振、不平稳等典型问题，研究动力学建模与控制。首先针对传统电机模型的局限性，建立了包含结构刚性、传动柔性、电磁特性等及相互耦合关系的超高速永磁同步电机动力学模型；在此基础上，深入分析电机结构参数、电磁特性、热特性、负载等关键因素对动力学模型的影响。兼顾控制技术指标和效率指标，设计多目标优化方法对电机参数进行优化设计；进一步，针对外部驱动控制信号的死区非线性研究电流死区预测补偿技术；针对内部非线性因素（如参数不确定、未建模动态等），基于无位置传感器转速估计，采用自适应和鲁棒技术对超高速永磁同步电机系统设计直接转矩控制，并对控制系统机理及性能进行深入研究和分析。最后，通过试验系统进行分析和验证，为超高速永磁同步电机系统提供理论依据和技术支撑。

随着高速电机系统在军事、工业、航空航天和医学等领域上的广泛应用，工程上面临的问题也逐渐体现出来，但是目前的理论分析、研究远不能满足其应用需求，许多问题亟待深入研究和解决。本项目工作主要在以下几个方面进行了深入研究： 在超高速永磁同步电机动力学建模方面，根据超高速永磁同步电机驱动系统特点，通过合理的假设和简化，建了立能体现系统结构刚性、传动柔性、电机电磁特性与热特性及其相互耦合关系的电机系统刚柔耦合动力学模型。另外，根据模型深入分析了超高速永磁同步电机结构参数、电磁特性、热特性、负载等关键因素对动力学模型的影响，为超高速永磁同步电机设计提供理论依据。针对超高速永磁同步电机驱动控制系统，综合考虑超高速永磁同步电机电磁特性、转轴刚性以及传动柔性等因素以及相互耦合关系，结合超高速永磁同步电机的高频特性并利用刚柔耦合建模方法，通过合理的假设和简化，建立更符合实际系统特征的动力学模型。进一步，通过多目标优化分析设计，为超高速永磁同步电机的设计提供参考依据。.在超高速永磁同步电机控制方面，分别针对外部非线性因素和内部各类不确定因素，采用电流死区预测补偿技术和无位置传感器的转速估计，结合自适应控制技术和鲁棒控制技术设计直接转矩控制，从理论上对控制系统性能进行分析和设计，从机理上为超高速永磁同步电机控制的设计给出依据和指导。针对于超高速永磁同步电机控制方法研究的薄弱现状，在完成动力学建模的基础上，针对超高速运行过程中典型的抖振、不平稳等问题，分别考虑电机外部驱动控制输入信号的非线性因素（驱动控制信号的死区等）、内部非线性因素（参数不确定、高频未建模动态等），采用自适应控制和鲁棒控制技术进行控制设计，并对控制系统机理以及性能进行深入研究和分析。研究成果应用于实际超高速永磁同步电机控制系统进行实验分析，为超高速永磁同步电机驱动控制技术在工业过程、航空航天领域以及能源领域等的应用提供坚实的应用技术支撑。.在本项目支持下，发表相关论文35篇，获得超高速电机领域授权发明专利12件，专利转化2件，获得省部级二等奖2项，培养硕士研究生毕业12人。