高品质伺服电机系统磁场调制理论与设计方法

国家自然科学基金重大项目“高品质伺服电机系统磁场调制理论与设计方法（51991380）”，起止时间2020年1月1日——2024年12月31日。本项目工作概括如下。

伺服电机系统是航空航天、高档数控机床、机器人、国防军工等高端装备的动力来源和核心运动部件，其品质是国家核心竞争力的重要体现。本项目面向国家装备制造高端化发展的重大需求，针对伺服电机系统的主要瓶颈与挑战，突破了传统电机学理论的局限性，定义了磁路新参数，建立了三元矢量磁路，提出磁感调制器与磁容调制器，泛化电机气隙磁场调制现象；提出了伺服电机气隙磁场调制理论的数学表征方法，实现了高品质伺服电机时空交互耦合气隙磁场的精确表征，创立了电机气隙磁场调制统一理论。归纳了伺服电机拓扑演变统一规律，明确了高品质电机拓扑与磁场调制效应之间的耦合机理，阐明了磁场调制精度与电机运行品质间的映射关系，建立了高品质电机拓扑统一理论，并提出了磁场调制永磁电机的拓扑定向设计构造理念。构建了调制效应下电机铁耗计算模型，实现了谐波损耗的分离计算，对谐波铁耗进行了靶向抑制。揭示了多物理场强耦合作用下的伺服电机电磁参数时变规律，构建了涵盖电磁时变特征与复杂动力学特征的电机-变流器-控制器-机械负载耦合模型，阐明了系统关键参数与运行性能间的交互作用机理。突破了传统电机设计理论局限性，建立了基于电磁材料层、结构材料层、加工装配层、控制策略层、设计目标层的电机系统层级化理论与综合优化设计方法。最终形成高品质伺服电机系统基础理论与技术体系，丰富和发展了电机理论，产生了一系列高品质伺服电机系统自主知识产权，提升了我国电机系统研究的创新能力，为高端装备的发展提供了强有力支撑。项目在以下方面取得了显著进展和突破：

（1）磁场调制理论及其表征方法

定义了磁路新参数，建立了三元矢量磁路，提出磁感调制器与磁容调制器，进一步丰富了电机调制器类型，形成频率调制、幅值调制和相位调制三种调制模态；研究了电机调制器拓扑结构的演化形式，分析和比较了不同调制器的磁场调制行为，推导了调制函数的表述方法；提出了电机“励磁源—调制器—滤波器”的三要素物理表征，构建了统一的三要素数学表征，创立了电机气隙磁场调制统一理论；揭示在电磁电机中普遍存在的气隙磁场调制现象，阐明了三要素与磁场调制效果的映射关系，建立了电机三要素及不同调制行为与电磁转矩间的内在联系；实现了对不同的气隙磁场调制行为精确表述，揭示了三要素内部运行规律及其对电机品质性能的影响规律。制造了不同类型样机开展实验研究，综合分析比较了电机品质，验证了所建立的基于三要素的电机气隙磁场调制理论正确性，归纳了电机系统三要素最优设计方法。

 

图1 磁阻R、磁感L和磁容C串联磁路

图2  磁感调制器的磁场调制行为（左） 磁容调制器的磁场调制行为（右）

图3  电机磁场调制器和开关变换器的调制模态对偶性

图4  磁场转换系数的对比

（2）电机磁场调制拓扑演变规律

研究了伺服磁场调制电机的拓扑演变理论，分析了功能单元统一构造模型。以横向错位磁场调制型无刷双转子电机、交替极轮辐式游标电机、外转子集中绕组交替极磁场调制电机为代表，研究了三要素单元集成方法与新型电机拓扑。分析了电机稳态伺服品质与电机拓扑间的映射关系，研究了平均转矩、不同极槽配合磁场调制电机拓扑转矩和磁场调制永磁电机拓扑定向构造方法。研究了工作磁导谐波、磁道微元、气隙拓扑设计方法。研究了虑要素单元间相互耦合关系的精确磁场解析模型建模方法，分析了基于磁位偏偏置的改进磁动势模型和交替极游标永磁电机转矩提升原理，建立了单元磁路分析模型。开展了样机与实验验证。

（a）

（b）

图5 磁场调制电机拓扑演变理论

图6 不同θpm下的励磁基本单元解析模型与频谱(hpm/g=3)

图7  两种电枢绕组结构的幅值系数k_wv/v

图8  TDMFM-BDRM三维磁场调制原理示意图

图9  磁场调制过程

（3）电机系统多因素耦合分析方法

针对伺服工况下电机系统精细化建模，研究了计及涡流反作用的伺服电机场路耦合建模、温度场双向耦合热路一体化建模、基于伺服电机系统的新型无网格数值建模、计及涡流反作用的矢量磁路建模方法。针对场调制效应下伺服电机损耗分析，研究了气隙磁场谐波损耗分析、磁场调制作用下杂散损耗建模、考虑PWM供电效应的宽频域损耗建模、基于降阶模型和频域法的高频铁耗分析方法。针对伺服电机系统转矩特性，研究了基于调制算子的永磁电机转矩产生机理、计及磁饱和效应的转矩建模分析方法、考虑边端效应的转矩脉动抑制方法、基于气隙滤波效应的改进磁链计算建模方法。针对电机系统多类别谐波分布及振噪抑制方法，研究了高频边带电磁力谐波、多类别激振源作用机理、滤波器原理下多相电机绕组设计方法，建立计及差异型拓扑的电磁力精细化建模方法。

图11 永磁游标电机损耗结果对比

（4）电机系统时变特征分析与动态控制技术

研究了伺服电机系统电磁解析建模与参数特性，分析了伺服电机转子Halbach 磁场解析建模及空间磁场分布规律，研究了考虑铁心饱和的电机等效气隙长度计算与电磁参数特征。研究了多物理场耦合作用下伺服电机系统电磁参数时变规律。分析了伺服电机系统关键参数与运行性能间的交互作用机理，研究了伺服电机系统多元电磁和机械参数动态辨识方法，包括时变负载工况下多元电磁参数同时在线辨识和变惯量变负载工况下机械参数同时在线辨识。分析了低载波比下伺服电机系统无差拍模型预测转矩控制，研究了多权重系数统一整定的伺服电机系统模型预测直接速度控制，分析了基于单母线电流传感器的伺服电机系统两步模型预测控制。研究了融合集总扰动观测的伺服电机系统自适应调控策略。分析了伺服电机系统抗扰和跟踪性能解耦的两自由度控制策略，建立宽调速范围、强带载能力伺服电机系统的设计方法。

图14 负载转矩和转动惯量同时辨识的原理框图

图15 基于辅助坐标系的伺服电机系统无差拍模型预测转矩控制的框图

图 16 所提基于数据驱动观测器的EMP-DSC结构框图

图17所提两自由度无级联直接速度控制结构框图

（5）电机系统层级化理论与综合设计方法

研究了基于分层架构的高品质电机系统层级化理论。在电磁材料层，研究了软磁材料、永磁材料对电机性能的影响；在结构材料层，研究了调制环转子支架材料、调制环转子紧固螺杆材料、轴材料导磁率、套筒材料对电机性能的影响。在加工装配层，研究了加工工艺和加工公差对电机性能的影响。在控制策略层，研究了脉宽调制电压（PWM）谐波对电机损耗的影响、控制系统结构对伺服系统位置跟踪性能的影响、有源阻尼测量对谐振问题的抑制、谐波电流注入对电磁转矩影响。分析了高性能电流环带宽拓展设计方法和基于通用并行扰动控制器的多自由度控制方法。研究了基于层级化理论的电机优化设计方法。开展了样机研制和实验研究。

图18  电机转矩性能对比

(a) 单独一块失磁               (b) 相邻两块失磁

(c) 相隔两块失磁               (d) 相隔四块失磁

图19  永磁体非均匀失磁模型

 

(a) n_m=500r/min，n_PM=500r/min

 

(b) n_m=0r/min，n_PM=2000r/min

图20  未考虑转子偏心和考虑转子偏心的调制绕组空载反电势波形及其谐波分析

图21  考虑不确定性扰动的伺服电机稳健优化设计研究

总结：

本项目围绕“强耦合下伺服电机磁场精确调制”、“高动态下伺服电机系统高品质控制”、“多约束下伺服电机系统多目标综合优化设计”三大科学问题开展研究工作，以电机基础理论创新为切入点，揭示了伺服电机的磁场调制机理，提出数学表征方法，建立复杂工况下伺服电机系统多因素耦合分析方法，掌握伺服电机系统电磁参数时变特征与演变规律，提出伺服电机系统综合设计方法与控制策略，形成高品质伺服电机系统基础理论与技术体系，为我国高端装备的发展提供支撑。