新型异极双气隙复合电机拓扑及其转子绝对位置无传感器控制研究

The absolute rotor position detection of electric machines is a major requisite for modern high-end equipment. Aiming at the tough problem that the absolute rotor position cannot be estimated by the conventional sensorless control, this project proposes the novel Unequal-Pole Dual-Gap Composite Machine structure based on the frequency shift modulation principle, and demodulates the absolute rotor position from the dual-gap electric angle information. The research contents include: (1) Based on the magnetic circuit topology analysis, build the dual-gap equivalent magnetic circuit model considering the multi-frequency magnetic field coupling, and reveal the dual-gap pole matching mechanism for the absolute rotor position identification; (2) Adopting the nonlinear conjugate gradient iteration, conduct the rolling optimal design of the dual-gap functions and the stator structure based on the inverse magnetic field problem; (3) Improve the reconstruction accuracy of near-frequency signals by constructing the translation invariant wavelet function, and investigate the high-precision identification method of the absolute rotor position based on the dual-gap signal demodulation; (4) Based on the stability margin analysis along with high-stiffness controller and relative coupling, research into the high performance sensorless control strategy of the position closed loop system with dual synchronous frequencies. Solving the above key issues helps form the collaborative design method of the novel machine and its control into a theoretical system, and provide the theoretical support for key technologies of sensorless position closed loop systems.

电机转子的绝对位置检测是现代高端装备的必备要素。针对常规无传感器控制无法获取转子绝对位置的难点问题，本项目基于频移调制原理，提出新型异极双气隙复合电机结构，利用双气隙电角度信息解调得到转子绝对位置。研究内容包括：(1)基于磁路拓扑分析，建立考虑多频磁场耦合的双气隙等效磁路模型，揭示适于转子绝对位置辨识的双气隙磁极匹配机制；(2)结合非线性共轭梯度迭代，实现基于磁场反问题的双气隙函数与定子结构滚动优化设计；(3)通过构造平移不变小波函数提高近频信号重构精度，研究基于双气隙信号解调的高精度转子绝对位置辨识方法；(4)基于稳定裕度分析，结合高刚度控制器和偏差耦合，研究双同步频率位置闭环系统的高性能无传感器控制策略。上述关键问题的解决，将新型电机及其控制系统协同设计方法形成理论体系，为无传感器位置闭环系统关键技术提供理论支撑。

自20世纪70年代以来，以获取转子相对位置（亦称电角度位置）为基础的矢量控制算法已广泛应用于伺服系统转速和转矩闭环控制。如今，随着机器人、电动转台、舵机等特种装备的发展，伺服系统对于电机转子绝对位置（亦称机械角度位置）检测提出了更高要求。然而，绝对位置传感器不仅价格昂贵、占用系统空间，而且易受高温、强磁、强辐射等不良环境因素干扰，不适于对功率密度和可靠性有特殊需求的特种装备。因此，无位置传感器控制成为弥补上述可靠性和功率密度等不足的有效解决途径。但是，由于多极电机结构的周期对称性，现有无位置传感器控制均只能获取转子电角度位置，而无法获取机械位置。鉴于此，本项目提出异极双气隙复合电机结构，在提高电机系统功率密度的同时，利用双气隙电角度信息解调，实现电机转子绝对位置的高品质无传感器控制。首先，对所提出的电机拓扑进行了全面分析，针对其磁场分布特点，建立了等效混联磁路模型，并分别从几何结构和极槽配合两方面研究气隙磁场和绕组反电动势的磁耦合特性。其次，提出分段绕组函数法，通过对匝数函数和气隙函数进行合理化建模，显著提高了解析计算结果的准确性，并选取了两种不同复合电机类型和极对数配比的拓扑结构进行电磁和结构优化设计，形成较为完整的技术工艺。再次，以双气隙电角度高鲁棒无传感器控制为基础，提出了基于双气隙信号解调的转子绝对位置无传感器控制策略。之后，针对常规电角度位置观测误差直流分量无法通过控制策略削弱的问题，利用异极双气隙转子电角度位置的唯一对应关系，提出了多种双气隙电角度位置观测误差的交叉校准策略。最后，针对设计研制的两轮实验样机，先后建设了2.2kW、0.75kW两套对拖实验平台，验证了本项目各研究成果的有效性。上述研究成果形成了异极双气隙复合电机及其控制系统的理论分析与协同设计方法，为无传感器位置闭环系统关键技术提供理论和应用技术支撑。