高速電機驅動技術及其發(fā)展趨勢

PART01研究介紹

高速電機因其功率密度高、體積重量小、工作效率高等明顯優(yōu)勢，受到越來越廣泛的關注。高效穩(wěn)定的驅動系統(tǒng)是充分發(fā)揮高速電機優(yōu)異性能關鍵所在，該文主要從控制策略、轉角估算以及功率拓撲設計等方面，分別分析高速電機驅動技術的難點，并總結歸納國內外當前研究成果，之后對高速電機驅動技術及其發(fā)展趨勢進行總結展望。

PART02研究內容

高速電機因其功率密度高、體積重量小、工作效率高等諸多優(yōu)勢，在航空航天、國防安全、生產生活等領域有著廣泛應用，是當今必要的研究內容和發(fā)展方向。在電主軸、透平機械、微型燃氣輪機、飛輪儲能等高速負載場合，高速電機的應用能夠實現(xiàn)直驅結構，省去變速裝置，顯著減小體積重量與維護成本的同時大幅提高可靠性，具有極其廣闊的應用前景。高速電機通常指轉速超過10kr/min或難度值(轉速和功率平方根的乘積)超過1×105的電機，圖1給出了當前國內外高速電機部分代表樣機相關數(shù)據(jù)對比，圖1中曲虛線為1×105難度值等值線。

一、高速電機驅動技術難點

1、高基頻下系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

當電機在高運行基頻狀態(tài)下時，由于受模/數(shù)轉換時間、數(shù)字控制器算法執(zhí)行時間以及逆變器開關頻率等限制，高速電機驅動系統(tǒng)載頻比較低，導致電機運行性能明顯降低。

2、基頻高精度轉子位置估計問題

高速運行時，轉子位置的精度對電機的運行性能至關重要。由于機械式位置傳感器可靠性不高，且體積大、成本高，故在高速電機控制系統(tǒng)中常采用無位置傳感器算法。但在高運行基頻條件下，采用無位置傳感器算法容易受到逆變器的非線性以及空間諧波、環(huán)路濾波器和電感參數(shù)偏差等非理想因素的影響，造成明顯的轉子位置估算誤差。

3、高速電機驅動系統(tǒng)紋波抑制問題

高速電機電感小，不可避免存在電流紋波大的問題。大電流紋波導致的額外銅損、鐵損、轉矩脈動以及振動噪聲，會大大增加高速電機系統(tǒng)損耗、降低電機運行性能，且高振動噪聲帶來的電磁干擾會加速驅動器老化。上述問題極大影響了高速電機驅動系統(tǒng)性能，低損耗硬件電路優(yōu)化設計研究對高速電機驅動系統(tǒng)至關重要。綜上所述，高速電機驅動系統(tǒng)的設計，需要綜合考慮多項因素，主要包括電流環(huán)耦合、系統(tǒng)延遲、參數(shù)誤差以及電流紋波抑制等技術難點，是一個高度復雜的過程，對控制策略、轉子位置估計精度以及功率拓撲設計提出了極高的要求，如圖2所示。

二、高速電機驅動系統(tǒng)控制策略

1、高速電機控制系統(tǒng)建模

高速電機驅動系統(tǒng)高運行基頻、低載頻比的特點，電機自身耦合以及延遲對系統(tǒng)的影響已不可忽略。故在考慮上述兩大因素條件下，對高速電機驅動系統(tǒng)重構建模分析，是進一步提升高速電機驅動性能的關鍵。

2、高速電機解耦控制技術

在高性能電機驅動系統(tǒng)中應用最為廣泛的是FOC控制技術，針對高運行基頻造成的系統(tǒng)耦合嚴重問題，目前主要的研究方向為解耦控制策略。當前所研究的解耦控制策略主要可分為：基于模型的解耦控制策略、基于擾動補償?shù)慕怦羁刂撇呗耘c基于復矢量調節(jié)器的解耦控制策略。基于模型的解耦控制策略主要有前饋解耦和反饋解耦，但該策略對電機參數(shù)敏感，在參數(shù)誤差較大的情況甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，且無法做到完全解耦，動態(tài)解耦性能差，因而限制了其應用范圍，后2種解耦控制策略是當前的研究熱點。

3、高速電機系統(tǒng)延遲補償技術

解耦控制技術能較好地解決高速電機驅動系統(tǒng)的耦合問題，但延遲引入的時延環(huán)節(jié)仍存在，故需要對系統(tǒng)延遲進行有效的主動補償。目前系統(tǒng)延遲的主動補償策略主要分為2種：基于模型的補償策略及不依賴模型的補償策略。

PART03研究結論

綜合當前學界在高速電機驅動技術方面的研究成果，結合現(xiàn)有問題，高速電機發(fā)展和研究方向主要有：1）高基頻電流精準預測及主動補償延時相關問題研究；3）高速電機高動態(tài)性能控制算法研究；4）超高速電機轉角位置精確估測及全速域轉子位置估算模型研究；5）高速電機位置估算模型中誤差全補償技術研究；6）高速電機功率拓撲高頻高損耗問題研究。

審核編輯 ：李倩