基于广义同步旋转坐标变换的无刷直流电机矢量控制技术研究

Higher and higher performance of the electric machines is required for the wind power generation, modern transportation and other rising applications. Although the permanent magnet (PM) brushless dc machines (BLDC) have higher power density than the sinusoidal-wave PM synchronous machines (PMSM), they suffer from high torque ripple and other shortcomings, which limits their suitability for high performance applications. This project focuses on the reduction of torque ripple of BLDC. A novel vector control based on general synchronous rotating coordinate transformation is presented and utilized to control the BLDC. Using that control method, torque ripple are significantly reduced along with maximum torque density. The proposed method can also be used to realize high performance control of PMSM with non-ideal sinusoidal back-EMF. Principle theory analysis, simulation and experimental verification will be performed to handle the key problems. Dynamic math modeling and analysis of the BLDC under general synchronous rotating reference frame will be carried out for decoupling control. Exactitude calculation method of back-EMF and inductance waveforms of BLDC will be adopted to obtain the general synchronous rotating coordinate transformation matrix. And the matching relationship between the BLDC and inverter will also be set up. Finally, a systematic theory and method on general synchronous rotating coordinate transformation based vector control will be established. The study will be expected to offer theoretical and critical technical support for the practical applications of high performance BLDC.

新能源发电和现代交通等新兴行业对电机性能要求越来越高。与永磁同步电机相比，无刷直流电机具有更高的转矩密度，但却存在转矩波动大等不足，限制了其在高性能场合的应用。本项目研究旨在解决无刷直流电机的转矩波动问题。提出并研究一种基于广义同步旋转坐标变换的矢量控制技术，在消除转矩波动的同时，实现转矩密度最大化，从而实现其高性能运行控制。该矢量控制技术也适用于具有非理想正弦波的永磁同步电机的高性能控制。重点围绕新型矢量控制技术存在的关键问题开展基础理论、仿真和实验研究。研究广义同步旋转坐标系下电机动态模型的建模与分析方法，实现解耦控制；研究内置式无刷直流电机精确的反电势和电感波形的计算方法，解决广义同步坐标变换矩阵的获取问题；研究新型矢量控制对逆变器特性参数的影响，实现与逆变器特性的匹配。最终形成较完善的基于广义同步旋转变换的矢量控制理论与技术方法，为高性能无刷直流电机的发展与应用提供理论和技术支撑。

永磁无刷电机具有结构简单、功率密度高、效率高等优势，已经广泛应用于各种中小功率场合，目前正在向大功率、高性能方向发展。根据反电势和电流波形的不同，永磁无刷电机可以分为无刷直流电机和永磁同步电机两类。无刷直流电机相对于永磁同步电机具有转矩密度高的优势，但常规的方波电流控制技术存在转矩脉动大等不足。本项目将矢量控制的思想引入无刷直流电机的控制，提出并研究一种基于广义同步旋转坐标变换的新型矢量控制技术。通过研究，提出了内置式无刷直流电机的反电势和电感参数的精确计算方法，为最优参考电流的精确计算和广义同步旋转坐标变换矩阵的获取奠定了基础；利用有限元仿真和静态转矩测试实验等手段验证了内置式无刷直流电机最优参考电流的准确性；探索并验证了该新型矢量控制技术在提高无刷直流电机转矩控制性能方面的有效性，并引入幅值扰动的概念，对其控制性能进行了改进，实现了无刷直流电机以转矩电流比最大化和转矩波动最小化为目标的高性能运行控制；研究了非正弦波电流对逆变器和电机性能的影响，由于最优参考电流相对于正弦波电流，引入了少量高次谐波，对逆变器和电机的影响并不大；最后，将最优参考电流计算方法和新型矢量控制策略进一步推广应用到多相永磁电机，从控制上改善了多相永磁电机的转矩性能。所提出的新型矢量控制技术适用于各种非正弦波永磁电机，包括表贴式无刷电机和内置式无刷电机，甚至是同步磁阻电机，为非正弦波电机的高性能转矩控制提供一条可行且有效的技术途径，在一定程度上拓展了永磁电机的控制理论和技术体系，具有重要理论意义和较高工程实用价值。