电励磁双凸极电机转矩性能优化策略研究

作     者：廖带莲 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余莉

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：电励磁双凸极电机 提前角度控制 输出转矩 转矩脉动 励磁电流注入 

摘      要：电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-magnetic Machine,DSEM)具有结构简单、成本低、可靠性高和高速运行能力强等诸多优点,在航空航天、工业驱动等领域有着潜在的优势。但特殊的定转子结构使得电机呈显著的非线性、强耦合特征,在高速运行时存在响应速度慢、输出转矩小、转矩脉动较大等问题,阻碍了双凸极电机的发展。鉴于此,本文以优化双凸极电机驱动系统输出转矩性能为研究目标,对电机控制策略进行了详细的分析,并研究了改进方法,有效的提升了电机驱动系统的转矩性能。首先,讨论了电励磁双凸极电机常用的角度控制策略,包括三状态、六状态和九状态角度控制策略。考虑到前两种控制策略是九状态角度控制策略的特殊情况,本文详细分析了九状态角度控制策略的运行模态。另外,分析了方波控制和多重正弦叠加控制的工作原理,并搭建了Maxwell+Simplorer仿真模型,为后续转矩优化策略研究提供基础。其次,为了降低提前角度选取难度,提升电机输出转矩,本文研究了一种提前角度自寻优控制方法。在采用方波控制下,探讨了提前角度的选取对电机输出转矩的影响,发现提前角度偏大或偏小都会降低电机转矩输出能力,并且在全局范围内提前角度存在最优数值。进一步,建立了电机输出转矩、电枢电流包围面积和提前角度三者的关系。在此基础上,对提前角度实施固定步长的扰动,对比不同提前角下电机输出转矩的相对大小,以此寻得电机输出转矩最大时对应的提前角度。通过仿真验证了提前角自寻优控制方法能有效简化提前角度的选取,提升电机输出转矩。再次,针对多重正弦叠加控制电机输出转矩存在较大的3次脉动问题,本文研究了一种基于励磁电流注入的转矩脉动抑制方法。采用傅里叶级数推导了电机时域转矩模型和转矩脉动模型,该模型可量化分析电机驱动系统输出转矩和3次转矩脉动产生机理。在此基础上,推导了励磁电流注入的幅值和相位,并设计了具体实现方案。通过仿真验证了励磁电流注入方法有效的减小了电机转矩脉动。最后,基于12/8电励磁双凸极电机实验平台,分别验证了所研究的提前角自寻优控制方法和基于励磁电流注入转矩脉动抑制方法的可行性和有效性。