高速无刷直流电机控制

　　（1）锁相高速度控制 为了实现高的姿态控制，要求磁悬浮飞轮的高速永磁无刷直流电机具有0.1％以上的稳速，PID控制难以达到这一要求。锁相技术在高电机速度控制方面具有独特的优势，当电机转速的反馈频率信号和参考频率信号同步时，稳速可达0.1％～0.02％。但其在动态性能和抗干扰能力方面有明显的缺陷。因而，在满足稳态的同时，兼顾动态性能和抗干扰能力，是锁相调速技术研究的重点。图1给出了电机锁相速庋控制系统的结构。

　　图1 锁相速度控制系统结构图

　　锁相调速控制系统由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，鉴相器是锁相环的关键部分。在锁相调速系统中，鉴相环节一般采用鉴频－鉴相器（PFD）或采样－保持鉴相器。虽然PFD的捕捉带为无限大，理论上可以不需要速度辅助控制措施，但PFD存在饱和鉴相特性，单纯依靠PFD进行调速，电机的动态响应并不理想。

　　为了改善动态响应、提高抗干扰能力，电机锁相控制可采用以下两种方案：

　　1）双模控制。即在大速度误差范围内采用常规速度反馈控制，一旦进人预先设置的误差带则转人锁相控制，避免了鉴相器的非线性工作区，只需考虑平衡点附近的稳定性，需要解决的问题是两种控制模式的平滑快速切换以及切换后如何在一个控制周期内实现快速的相位锁定。

　　2）始终由锁相环控制。由于鉴相器的饱和鉴相特性，使大的速度阶跃响应较慢，且要考虑非线性系统的特殊现象，如多平衡点、极限环、分岔和混沌等，这样就需要分析鉴相器的非线性特性和锁相环的全局稳定性，并在此基础上设计锁相非线性控制器。

　　（2）高速转矩脉动抑制 电机驱动力矩的波动是引起转速波动和噪声的基本原因之一。飞轮电机高速运行时，大转动惯量的机械滤波作用虽然可以在一定程度上减小转矩波动分量对转速的影响，但仍需通过控制手段将这一内干扰力矩抑制在一定范围内。永磁无刷直流电机的电磁转矩是电枢反电动势和电枢电流的函数，对于非理想反电动势波形引起的转矩波动，常通过直接对电流波形的优化控制或转矩反馈环节予以抑制和补偿。

　　对于采用HALBACH磁体结构的高速无刷直流电机，由于具有近正弦性气隙磁通密度分布的特点，可采用正弦波调制或空间矢量调制方式，这样有利于减小高速电机的脉动转矩。

　　（3）降低铁耗的控制方法 高速无刷直流电机额定转速运行时，由电流引起的损耗显著增加，该损耗在总损耗中占有相当大的分量，这一损耗包括电机功放的损耗、电机的铜耗及电机绕组由于有电流而引起的附加损耗。其中，前两项损耗相对较小，并且决定于第三项损耗所引起的电流大小。因此降低电机绕组电流所引起的附加损耗成为降低功耗的另一重要途径。这部分损耗由定子电流非连续跳变在转子中引起的损耗和定子电流的PWM分量所引起的损耗两部分组成。

　　由定子电流非连续跳变在转子中引起的铁耗，尽管不可避免，但可以降低。采用叠片式转子铁心和叠片式永磁体保护套或不导电不导磁的磁体保护套，可以大大降低该损耗中在转子铁心和永磁体保护套中的比重；或采用无铁心定、转子和非导电和非导磁的永磁体保护套，可以完全消除该种损耗在其中的分量。当然，该损耗在永磁体中的分量不但不可避免而且也难以降低。由定子电流的PWM分量所引起的损耗具有高频的电流分量，由于转子的转动频率与PWM的开关频率相比差别很大，因此可以认为电机的定转子同频率地感应着一个高频磁场，这一高频磁场会在定子、转子中产生涡流损耗。分析表明，这一损耗是定子电流脉动幅值平方的函数。随着转速的升高，调制信号的占空比增大，电流脉动的幅值也增大，导致这一功耗的增大。

　　与有定子导磁铁心的永磁无刷直流电机相比，定子无铁空心杯型高速永磁无刷直流电机的电枢电感极小，一般只有十几到几十微亨。此时，由PWM的调制引起的电枢电流脉动较大，图2给出了两相导通星形三相6状态的小电枢电感永磁无刷直流电机相电流波形。减小电流脉动通常有两种方案：一是提高PWM的载波频率，但随着载波频率的提高，功率器件的开关损耗会显著增大，给散热带来困难，采用软开关方法虽然可以降低开关损耗，但实现软开关的电路结构和控制方法都过于复杂；二是随着飞轮电机转速变化自动调节直流母线电压。

　　图2 小电枢电感永磁无刷直流电机相电流波形

　　这样在120°导通区内电枢电流为方波，如图3所示。

　　图3 基于BUCk变换器拓扑的电机相电流波形

　　可见，采用该方法能够从根本上消除由于PWM调制引起的电流的非连续跳变，从而有效抑制了由定子电流的PWM分量所引起的电机铁耗。