高速电机驱动技术及其发展趋势

PART 01 研究介绍

高速电机因其功率密度高、体积重量小、工作效率高等明显优势，受到越来越广泛的关注。高效稳定的驱动系统是充分发挥高速电机优异性能关键所在，该文主要从控制策略、转角估算以及功率拓扑设计等方面，分别分析高速电机驱动技术的难点，并总结归纳国内外当前研究成果，之后对高速电机驱动技术及其发展趋势进行总结展望。

PART 02 研究内容

高速电机在航空航天、国防安全、生产生活等领域有着广泛应用，是当今必要的研究内容和发展方向。在电主轴、透平机械、微型燃气轮机、飞轮储能等高速负载场合，高速电机的应用能够实现直驱结构，省去变速装置，显著减小体积重量与维护成本的同时大幅提高可靠性，具有极其广阔的应用前景。高速电机通常指转速超过 10kr/min 或难度值(转速和功率平方根的乘积)超过 1×105的电机，图 1 给出了当前国内外高速电机部分代表样机相关数据对比，图 1 中曲虚线为1×105难度值等值线。

一、高速电机驱动技术难点

1、高基频下系统稳定性问题

当电机在高运行基频状态下时，由于受模/数转换时间、数字控制器算法执行时间以及逆变器开关频率等限制，高速电机驱动系统载频比较低，导致电机运行性能明显降低。

2、基频高精度转子位置估计问题

高速运行时，转子位置的精度对电机的运行性能至关重要。由于机械式位置传感器可靠性不高，且体积大、成本高，故在高速电机控制系统中常采用无位置传感器算法。但在高运行基频条件下，采用无位置传感器算法容易受到逆变器的非线性以及空间谐波、环路滤波器和电感参数偏差等非理想因素的影响，造成明显的转子位置估算误差。

3、高速电机驱动系统纹波抑制问题

高速电机电感小，不可避免存在电流纹波大的问题。大电流纹波导致的额外铜损、铁损、转矩脉动以及振动噪声，会大大增加高速电机系统损耗、降低电机运行性能，且高振动噪声带来的电磁干扰会加速驱动器老化。上述问题极大影响了高速电机驱动系统性能，低损耗硬件电路优化设计研究对高速电机驱动系统至关重要。综上所述，高速电机驱动系统的设计，需要综合考虑多项因素，主要包括电流环耦合、系统延迟、参数误差以及电流纹波抑制等技术难点，是一个高度复杂的过程，对控制策略、转子位置估计精度以及功率拓扑设计提出了极高的要求，如图2所示。

二、高速电机驱动系统控制策略

1、高速电机控制系统建模

高速电机驱动系统高运行基频、低载频比的特点，电机自身耦合以及延迟对系统的影响已不可忽略。故在考虑上述两大因素条件下，对高速电机驱动系统重构建模分析，是进一步提升高速电机驱动性能的关键。

2、高速电机解耦控制技术

在高性能电机驱动系统中应用最为广泛的是FOC 控制技术，针对高运行基频造成的系统耦合严重问题，目前主要的研究方向为解耦控制策略。当前所研究的解耦控制策略主要可分为：基于模型的解耦控制策略、基于扰动补偿的解耦控制策略与基于复矢量调节器的解耦控制策略。基于模型的解耦控制策略主要有前馈解耦和反馈解耦，但该策略对电机参数敏感，在参数误差较大的情况甚至会导致系统不稳定，且无法做到完全解耦，动态解耦性能差，因而限制了其应用范围，后2种解耦控制策略是当前的研究热点。

3、高速电机系统延迟补偿技术

解耦控制技术能较好地解决高速电机驱动系统的耦合问题，但延迟引入的时延环节仍存在，故需要对系统延迟进行有效的主动补偿。目前系统延迟的主动补偿策略主要分为2种：基于模型的补偿策略及不依赖模型的补偿策略。

PART 03 研究结论

综合当前学界在高速电机驱动技术方面的研究成果，结合现有问题，高速电机发展和研究方向主要有：1）高基频电流精准预测及主动补偿延时相关问题研究；3）高速电机高动态性能控制算法研究；4）超高速电机转角位置精确估测及全速域转子位置估算模型研究；5）高速电机位置估算模型中误差全补偿技术研究；6）高速电机功率拓扑高频高损耗问题研究。

编辑：黄飞