高速电机驱动技术及其发展趋势论文（高速电机驱动技术及其发展趋势研究）

PART01 研究介绍

高速电机因其功率密度高、体积和重量小、工作效率高等明显优势而受到越来越多的关注。高效稳定的驱动系统是充分发挥高速电机优异性能的关键。本文主要从控制策略、旋转角度估计、功率拓扑设计等方面分析了高速电机驱动技术的难点，并总结了目前国内外的研究成果。总结并展望高速电机驱动技术及其发展趋势。

PART02研究内容

高速电机以其功率密度高、体积和重量小、工作效率高等诸多优点，广泛应用于航空航天、国防安全、生产生活等领域。它们是当今必要的研究内容和发展方向。在电主轴、涡轮机械、微型燃气轮机、飞轮储能等高速负载应用中，高速电机的应用可以实现直接驱动结构，无需传动装置，显着减小体积、重量和维护成本同时大大提高了可靠性。应用前景极为广阔。高速电机通常是指转速超过10kr/min或难度值（转速与功率平方根的乘积）超过1105的电机。图1为国内外一些有代表性的高速电机样机的相关数据对比。图1中的虚线是1105难度值等高线。

1、高速电机驱动技术难点

1、高基频下的系统稳定性问题

当电机工作在较高基频时，由于模数转换时间、数字控制器算法执行时间、逆变器开关频率等限制，高速电机驱动系统的载波频率相对较低，导致电机运行性能显着降低。

2.基频高精度转子位置估计问题

高速运行时，转子位置的准确性对于电机的运行性能至关重要。由于机械位置传感器可靠性不高、尺寸较大且成本较高，因此高速电机控制系统中通常采用无位置传感器算法。然而，在高工作基频条件下，无位置传感器算法容易受到逆变器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，导致明显的转子位置估计误差。

3、高速电机驱动系统纹波抑制问题

高速电机的电感较小，不可避免地存在电流纹波较大的问题。大电流纹波引起的附加铜损、铁损、转矩脉动和振动噪声等，会大大增加高速电机系统的损耗，降低电机的运行性能。而且，高振动和噪声引起的电磁干扰会加速驱动器的老化。上述问题极大地影响了高速电机驱动系统的性能，低损耗硬件电路的优化设计研究对于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种因素，包括电流环耦合、系统延迟、参数误差、电流纹波抑制等技术难点。这是一个高度复杂的过程，需要控制策略并对转子位置估计精度和电源拓扑设计提出极高的要求，如图2所示。

2. 高速电机驱动系统控制策略

1. 高速电机控制系统建模

高速电机驱动系统具有工作基频高、载波频率比低的特点。电机自耦和延时对系统的影响不容忽视。因此，综合考虑以上两个因素，重构高速电机驱动系统的建模与分析是进一步提高高速电机驱动性能的关键。

2、高速电机解耦控制技术

FOC控制技术在高性能电机驱动系统中应用最为广泛。针对高工作基频引起的严重系统耦合问题，当前主要研究方向是解耦控制策略。目前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和基于复杂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包括前馈解耦和反馈解耦。然而，该策略对电机参数敏感。当参数误差较大时，甚至可能导致系统不稳定，无法实现完全解耦和动态解耦。耦合性能较差，限制了其应用范围。后两种解耦控制策略是当前的研究热点。

3、高速电机系统延时补偿技术

解耦控制技术可以较好地解决高速电机驱动系统的耦合问题，但延迟引入的延迟仍然存在，因此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两类：基于模型的补偿策略和与模型无关的补偿策略。

PART03 研究结论

基于目前高速电机驱动技术的学术研究成果，结合现有问题，高速电机的发展和研究方向主要包括： 1）高基频电流精确预测及主动补偿相关问题研究延迟； 3）高速电机高动态性能控制算法研究； 4）超高速电机角位置精确估计及全速转子位置估计模型研究； 5）高速电机位置估计模型中全误差补偿技术研究； 6）高速电机功率拓扑高频高损耗问题研究。

审稿人：李茜