南航学者提出超高速永磁电机驱动系统的电流环改进设计方案

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多电/全电型航空航天系统中的电力推进系统、电力作动系统、起动/发电系统及环控系统等均朝着高功率密度、高效率、高可靠性的趋势发展。电机系统作为上述应用领域的核心单元，具有重要意义。基于超高速电机（Ultra High Speed Motor, UHSM）的电力传动系统具有功率密度高、体积小、质量轻的显著优势，十分适合航空航天领域的性能要求，对于多电/全电型航空航天系统的发展具有重要的意义。

除航空航天领域外，对于某些现代化工业应用，如高速离心式压缩机、微型燃气轮起动/发电机、飞轮储能等，能够实现直驱结构，显著减小体积、质量与维护成本，同时大幅提高可靠性。超高速永磁电机相比于其他类型电机，功率密度与效率优势更为显著，近年来表现出逐步取代其他类型电机的趋势，研究意义与实用价值重大。

对于超高速永磁电机来说，性能优良的驱动系统是发挥其潜能的关键所在。现有驱动系统通常采用数字微控制器（Microprogrammed Control Unit, MCU）实现数字化驱动。然而，由于超高速永磁电机工作基频高，在应用磁场定向控制（Field Oriented Control, FOC）策略时，系统延迟对系统稳定性的影响难以忽略。

对此，南京航空航天大学自动化学院的研究人员鲍旭聪、王晓琳、顾聪、石滕瑞，在2022年第10期《电工技术学报》上撰文，对电流环动态模型进行精确重构，并系统分析高基频运行条件下延迟引入的交叉耦合与时延效应对系统稳定性的影响。

他们在此基础上，提出一种适用于超高速电机的基于双采样电流预测的阻尼-积分型电流环调节机制，通过对系统阻尼比进行补偿，消除附加交叉耦合影响。此外，研究人员还设计了一种分段执行式的双采样电流预测算法，可在不依赖任何参数的情况下实现下一拍反馈电流预测，有效补偿系统稳定裕度。以上两个措施为确保超高基频系统全局稳定提供了有力保障。

图1 超高速永磁电机驱动系统实验平台

他们的具体工作内容包括：

1）在考虑高基频系统延迟的条件下，对电流环动态模型进行重构精确建模，深入分析延迟对系统稳定性的影响：①延迟在原电流环动态模型的前向通道和反馈通道分别引入一个附加交叉耦合，从而降低系统阻尼比，降低电流环稳定性，严重时甚至会造成负阻尼比进而导致系统失稳；②时延效应将明显降低系统稳定裕度，造成动态超调增大。

2）基于考虑附加交叉耦合后电流环动态模型变化情况，提出了一种适用于超高速电机驱动系统的阻尼-积分型电流调节器，并推导了实现期望阻尼比的补偿条件，给出了设计原则。所提方案避免了传统超高速电机驱动系统阻尼比与闭环带宽之间的矛盾，实现了高基频下系统阻尼比有效补偿，保证系统全局稳定性。

3）针对时间延迟效应造成的系统稳定裕度降低问题，提出了一种适用于高基频低载频比的分段执行式的双采样电流预测算法，利用预测电流值作为反馈电流进行电流环控制，有效补偿了稳定裕度，抑制动态超调，实现电流环接近理想阻尼比下的控制性能，且电流环动态性能较好。该电流预测器无需依赖任何模型参数，且实现简单、鲁棒性较强。

为了验证所提改进型电流环调节机制性能，研究人员基于一台550000r/min/110W超高速微型永磁电机，进行了仿真与实验分析，充分验证了所提出改进型电流环控制方案的有效性与优越性。

本文编自2022年第10期《电工技术学报》，论文标题为“超高速永磁电机驱动系统电流环稳定性分析与改进设计”。本课题得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的支持。

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