低速大转矩永磁电机伺服系统集成设计关键技术研究

针对低速大转矩永磁同步电机伺服系统，从电机分析及优化设计、运行控制和系统集成等方面进行了深入研究。建立了低速大转矩永磁电机伺服系统数学模型，基于该模型分析了电机齿槽效应、槽结构、磁极形状、变频电源拓扑以及控制器参数等因素对系统性能影响，阐明了电机结构参数、控制参数到系统性能指标的映射关系；研究了电机转子磁场与定子电流的相互作用，通过采用不等厚磁极结构，弥补了在获得正弦气隙磁场分布方面的不足；针对电机优化设计属于多变量、多约束、非线性、混合离散规划的问题，提出了自调节自进化粒子群算法，改善了优化过程中的寻优性能和求解可靠性；分析了低速域永磁同步电机转矩波动的主要诱发因素，将永磁同步电机转矩、磁链方程及电压矢量相结合，推导了电压矢量与转矩、磁链变化率间的解析关系，提出了转矩量化控制的新型直接转矩控制策略，有效降低永磁同步电机转矩波动幅值；研究了负载转矩及系统转动惯量变化对系统性能的影响机理，提出并设计了基于转动惯量辨识的自适应扰动观测器，有效地提高了系统的动态性能；分析了永磁同步电机在线多参数辨识时的耦合问题，提出了矢量控制策略下的d轴负序电流瞬时注入神经网络解耦辨识方法，该方法兼顾了逆变器压降、死区等因素对参数辨识精度的影响，进而保证了高精度运行控制的可行性；针对非线性摩擦力矩导致的永磁同步电机低速域爬行问题，建立了LuGre摩擦力矩模型，结合自适应控制和反推设计法，提出了基于反推自适应控制的摩擦力矩补偿策略，有效缓解了电机低转速波动现象，显著削弱了摩擦力矩对电机低速运行性能的不利影响；研究了低速域的速度辨识技术以及系统起动过程中的转子位置估计方法，提出了基于Sigmoid函数滑模观测器和反电势观测器的新型位置估算方法，提高了估算转子位置和转速的估算精度；针对永磁同步电机速度测量中存在的微分过程及滤波延迟问题，提出了适用于永磁同步电机测速系统的自适应卡尔曼观测器，解决了永磁同步电机低速运行时，传统方法计算的转速存在转速误差及时间延迟的问题，有效提高了系统的转速跟踪能力。基于上述系统设计方法与运行控制策略，研制了低速大转矩永磁同步电机伺服系统样机，并对相关性能进行了实验评估。 2100433B

从电机与控制系统、电机与变频电源间的关系角度建立低速大转矩永磁电机伺服系统数学模型，开展全时域暂态过程分析，阐明由电机结构参数、控制参数到系统性能指标的映射关系，揭示电机、控制系统、变频电源相匹配的实现机理；分析变频电源供电条件下电机气隙磁场与定子电流的相互影响，研究能够削弱定子齿谐波与变频电源输出谐波、实现电机气隙磁场正弦分布的设计方案；探讨以动态检测为基础的电机优化控制策略及去磁故障处理方法，结合优化磁路结构等静态预防方案，有效避免永磁体磁场波动和不可逆去磁诱发的电机发热及转矩脉动；在此基础上，建立低速大转矩永磁电机伺服系统集成设计理论体系，通过改进电机电磁结构方案、调整电机设计参数，使控制系统能够在调节电磁负荷方面发挥更大作用，在有限体积与有限散热能力条件下实现系统指标的综合最优。

电动机从起动到正常运转的过程中，电磁转矩是不断变化的，其中有一个最大值，称为最大转矩或临界转矩，用M_max表示。

最大转矩是衡量电动机短时过载能力的一个重要技术指标。最大转矩越大，电动机承受机械荷载冲击能力越大。如果电动机在带负载运行中发生了短时过载现象，当电动机的最大转矩小于过负载的阻转矩时，电动机便会停转，发生所为“闷车”现象。最大转矩一般也用额定转矩的倍数来表示。最大转矩M_max与额定转矩M_N比值，称为异步电动机的过载能力，用

电动机的过载能力，国家有一定的规定值范围。一般异步电动机的过载能力都在1.8～3之间。

首次提出一种新型低速大转矩电机一大转矩双极性低速永磁同步电动机。该电机可直接接三相或单相交流电源定速运行。也可用控制器调速运行，能高效率稳定运行于甚低转速。项目将深入研究该电机的运行机理，电磁转矩特性，调速理论和噪声特性，建立基本方程和数学模型。研究成果将可能使低速大转矩电机研究和应用取得突破，开拓低速电机研究新方向。.. 2100433B