模块化定子分段转子混合磁路开关磁阻容错电机及其控制的基础研究

In order to further improve and enhance the SRM operating performance and fault-tolerant performance, this project takes a new type of modular stator SRM with segmental rotors as the research object to study the key technologies of this machine. Hierarchical optimization design and magnetic network with 2D and 3D finite element method are combined to design and analysis of this machine. The mathematical model is proposed and the operating characteristics of this type of machine and machine topology, the internal laws of the winding arrangement and connections and electrical parameters is explored. Combined with new Boost drive circuit, high-performance direct instantaneous torque control strategy is studied to reduce the torque ripple. A 3D field-circuit coupling system-level model is created to analyze the faulty performance and transient fault process under different types of faults for the system. For different types of faults and system performance requirements, active fault tolerant control strategies are studied to improve the fault tolerance of this modular motor drive. Prototype is developed by selecting representative program. And the semi-physical simulation model and real-time motion control system platform is established to simulate and analyze the performances of different controlled object, which is used to verify the correctness of the theory and the control algorithm. Then the general design and control laws for the high-performance and fault tolerance modular stator SRM are summed up. The project will further expand the applications of the new structure SRM and lay the theoretical and technical basis for its application in the aerospace and electric vehicles.

为进一步改善和提高SRM的运行性能和容错能力，以新型的模块化定子分段转子SRM为对象对其关键技术进行研究。采用分层优化设计理论与磁网络及3D有限元结合的方法对电机设计分析，提出电机数学模型，探寻该类电机的工作特性与电机拓扑结构、绕组布置及电气参数之间的内在规律；基于新型的Boost功率电路研究电机的高性能直接瞬时转矩控制策略减小转矩脉动，提高系统动态性能；建立系统级的3D瞬态场路耦合仿真模型，分析电机的各种故障特性及故障前后的暂态过程，基于主动容错控制思想研究各种故障状态下的容错控制策略，提高系统容错性能；选取代表性方案研制样机，建立半实物仿真模型及运动控制实时系统平台进行快速性能仿真与测试，验证理论分析和控制算法的正确性，并总结出性能优良、容错性高的模块化定子SRM设计和控制的一般性规律。本项目的研究将进一步拓展新结构SRM的应用领域，为其在航空航天及电动汽车等的应用奠定理论和技术基础。

本项目以新型的模块化定子SRM及其驱动控制为研究对象，对相关技术进行了研究，主要内容包括：提出并设计了一种E型模块化定子分段转子SRM，利用磁路法建立了电机的等效磁网络模型；为了简化电机的三维有限元建模计算，提出了一种简化的等效二维模型，在一定电流范围内可快速求解电机的磁链、电感、转矩等电磁特性参数；通过对双绕组和单绕组结构、分段和不分段转子结构的E型模块化定子SRM以及普通SRM的磁场分布和静态、动态特性的对比分析，得出双绕组模块化定子分段转子SRM具有结构简单、绕线空间相对较大、转矩脉动相对较小、质量转矩密度和功率密度相对较高等优点；基于Boost电路研究了电机的输出性能，并研究了电机的直接瞬时转矩控制策略，使转矩脉动得到了抑制，提高了系统动态性能；建立了模块化定子SRM系统的仿真模型，分析了电机系统在各种工况下的稳态和动态性能以及电机系统的各种故障特性，研究了开路故障下的闭环容错控制策略，提高了系统容错性能；此外，对SRM的无位置传感器控制策略进行了研究，提出了一种只需一相电流传感器的改进型磁链估计位置算法。在此基础上，还对模块化定子+永磁体的SRM拓扑结构进行了初步探索研究，分析了该类电机的磁场分布、静态电磁特性、数学模型和动态性能。研制了两台不同转子结构的双绕组模块化定子SRM及一台普通SRM样机，搭建了基于dSPACE的半实物实时控制系统实验平台，对三种电机的性能、模块化定子SRM的直接瞬时转矩控制、无位置传感器控制及容错控制策略进行了实验验证。还研制了一台模块化定子永磁SRM样机，进行了初步的实验验证。.结合该项目的研究，共培养研究生4名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文20篇，其中SCI收录论文7篇，申请国家发明专利2项。