高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

PART01研究介紹

高速電機(jī)因其功率密度高、體積重量小、工作效率高等明顯優(yōu)勢(shì)，受到越來越廣泛的關(guān)注。高效穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是充分發(fā)揮高速電機(jī)優(yōu)異性能關(guān)鍵所在，該文主要從控制策略、轉(zhuǎn)角估算以及功率拓?fù)湓O(shè)計(jì)等方面，分別分析高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的難點(diǎn)，并總結(jié)歸納國內(nèi)外當(dāng)前研究成果，之后對(duì)高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)展望。

PART02研究內(nèi)容

高速電機(jī)因其功率密度高、體積重量小、工作效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，在航空航天、國防安全、生產(chǎn)生活等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，是當(dāng)今必要的研究內(nèi)容和發(fā)展方向。在電主軸、透平機(jī)械、微型燃?xì)廨啓C(jī)、飛輪儲(chǔ)能等高速負(fù)載場合，高速電機(jī)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，省去變速裝置，顯著減小體積重量與維護(hù)成本的同時(shí)大幅提高可靠性，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。高速電機(jī)通常指轉(zhuǎn)速超過10kr/min或難度值(轉(zhuǎn)速和功率平方根的乘積)超過1×105的電機(jī)，圖1給出了當(dāng)前國內(nèi)外高速電機(jī)部分代表樣機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比，圖1中曲虛線為1×105難度值等值線。

一、高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)難點(diǎn)

1、高基頻下系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

當(dāng)電機(jī)在高運(yùn)行基頻狀態(tài)下時(shí)，由于受模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)字控制器算法執(zhí)行時(shí)間以及逆變器開關(guān)頻率等限制，高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)載頻比較低，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能明顯降低。

2、基頻高精度轉(zhuǎn)子位置估計(jì)問題

高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子位置的精度對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能至關(guān)重要。由于機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)中常采用無位置傳感器算法。但在高運(yùn)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(zhuǎn)子位置估算誤差。

3、高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)紋波抑制問題

高速電機(jī)電感小，不可避免存在電流紋波大的問題。大電流紋波導(dǎo)致的額外銅損、鐵損、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及振動(dòng)噪聲，會(huì)大大增加高速電機(jī)系統(tǒng)損耗、降低電機(jī)運(yùn)行性能，且高振動(dòng)噪聲帶來的電磁干擾會(huì)加速驅(qū)動(dòng)器老化。上述問題極大影響了高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能，低損耗硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)研究對(duì)高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)至關(guān)重要。綜上所述，高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要綜合考慮多項(xiàng)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(shù)難點(diǎn)，是一個(gè)高度復(fù)雜的過程，對(duì)控制策略、轉(zhuǎn)子位置估計(jì)精度以及功率拓?fù)湓O(shè)計(jì)提出了極高的要求，如圖2所示。

二、高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略

1、高速電機(jī)控制系統(tǒng)建模

高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高運(yùn)行基頻、低載頻比的特點(diǎn)，電機(jī)自身耦合以及延遲對(duì)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(duì)高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重構(gòu)建模分析，是進(jìn)一步提升高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵。

2、高速電機(jī)解耦控制技術(shù)

在高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的是FOC控制技術(shù)，針對(duì)高運(yùn)行基頻造成的系統(tǒng)耦合嚴(yán)重問題，目前主要的研究方向?yàn)榻怦羁刂撇呗?。?dāng)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(dòng)補(bǔ)償?shù)慕怦羁刂撇呗耘c基于復(fù)矢量調(diào)節(jié)器的解耦控制策略?；谀Ｐ偷慕怦羁刂撇呗灾饕星梆伣怦詈头答伣怦?，但該策略對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感，在參數(shù)誤差較大的情況甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，且無法做到完全解耦，動(dòng)態(tài)解耦性能差，因而限制了其應(yīng)用范圍，后2種解耦控制策略是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

3、高速電機(jī)系統(tǒng)延遲補(bǔ)償技術(shù)

解耦控制技術(shù)能較好地解決高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的耦合問題，但延遲引入的時(shí)延環(huán)節(jié)仍存在，故需要對(duì)系統(tǒng)延遲進(jìn)行有效的主動(dòng)補(bǔ)償。目前系統(tǒng)延遲的主動(dòng)補(bǔ)償策略主要分為2種：基于模型的補(bǔ)償策略及不依賴模型的補(bǔ)償策略。

PART03研究結(jié)論

綜合當(dāng)前學(xué)界在高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面的研究成果，結(jié)合現(xiàn)有問題，高速電機(jī)發(fā)展和研究方向主要有：1）高基頻電流精準(zhǔn)預(yù)測及主動(dòng)補(bǔ)償延時(shí)相關(guān)問題研究；3）高速電機(jī)高動(dòng)態(tài)性能控制算法研究；4）超高速電機(jī)轉(zhuǎn)角位置精確估測及全速域轉(zhuǎn)子位置估算模型研究；5）高速電機(jī)位置估算模型中誤差全補(bǔ)償技術(shù)研究；6）高速電機(jī)功率拓?fù)涓哳l高損耗問題研究。

審核編輯 ：李倩