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多電/全電型航空航天系統(tǒng)中的電力推進系統(tǒng)、電力作動系統(tǒng)、起動/發(fā)電系統(tǒng)及環(huán)控系統(tǒng)等均朝著高功率密度、高效率、高可靠性的趨勢發(fā)展。電機系統(tǒng)作為上述應(yīng)用領(lǐng)域的核心單元，具有重要意義?；诔咚匐姍C（Ultra High Speed Motor, UHSM）的電力傳動系統(tǒng)具有功率密度高、體積小、質(zhì)量輕的顯著優(yōu)勢，十分適合航空航天領(lǐng)域的性能要求，對于多電/全電型航空航天系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。

除航空航天領(lǐng)域外，對于某些現(xiàn)代化工業(yè)應(yīng)用，如高速離心式壓縮機、微型燃氣輪起動/發(fā)電機、飛輪儲能等，能夠?qū)崿F(xiàn)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，顯著減小體積、質(zhì)量與維護成本，同時大幅提高可靠性。超高速永磁電機相比于其他類型電機，功率密度與效率優(yōu)勢更為顯著，近年來表現(xiàn)出逐步取代其他類型電機的趨勢，研究意義與實用價值重大。

對于超高速永磁電機來說，性能優(yōu)良的驅(qū)動系統(tǒng)是發(fā)揮其潛能的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)有驅(qū)動系統(tǒng)通常采用數(shù)字微控制器（Microprogrammed Control Unit, MCU）實現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動。然而，由于超高速永磁電機工作基頻高，在應(yīng)用磁場定向控制（Field Oriented Control, FOC）策略時，系統(tǒng)延遲對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響難以忽略。

對此，南京航空航天大學自動化學院的研究人員鮑旭聰、王曉琳、顧聰、石滕瑞，在2022年第10期《電工技術(shù)學報》上撰文，對電流環(huán)動態(tài)模型進行精確重構(gòu)，并系統(tǒng)分析高基頻運行條件下延遲引入的交叉耦合與時延效應(yīng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

他們在此基礎(chǔ)上，提出一種適用于超高速電機的基于雙采樣電流預(yù)測的阻尼-積分型電流環(huán)調(diào)節(jié)機制，通過對系統(tǒng)阻尼比進行補償，消除附加交叉耦合影響。此外，研究人員還設(shè)計了一種分段執(zhí)行式的雙采樣電流預(yù)測算法，可在不依賴任何參數(shù)的情況下實現(xiàn)下一拍反饋電流預(yù)測，有效補償系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。以上兩個措施為確保超高基頻系統(tǒng)全局穩(wěn)定提供了有力保障。

圖1 超高速永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺

他們的具體工作內(nèi)容包括：

1）在考慮高基頻系統(tǒng)延遲的條件下，對電流環(huán)動態(tài)模型進行重構(gòu)精確建模，深入分析延遲對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：①延遲在原電流環(huán)動態(tài)模型的前向通道和反饋通道分別引入一個附加交叉耦合，從而降低系統(tǒng)阻尼比，降低電流環(huán)穩(wěn)定性，嚴重時甚至會造成負阻尼比進而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；②時延效應(yīng)將明顯降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，造成動態(tài)超調(diào)增大。

2）基于考慮附加交叉耦合后電流環(huán)動態(tài)模型變化情況，提出了一種適用于超高速電機驅(qū)動系統(tǒng)的阻尼-積分型電流調(diào)節(jié)器，并推導(dǎo)了實現(xiàn)期望阻尼比的補償條件，給出了設(shè)計原則。所提方案避免了傳統(tǒng)超高速電機驅(qū)動系統(tǒng)阻尼比與閉環(huán)帶寬之間的矛盾，實現(xiàn)了高基頻下系統(tǒng)阻尼比有效補償，保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定性。

3）針對時間延遲效應(yīng)造成的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度降低問題，提出了一種適用于高基頻低載頻比的分段執(zhí)行式的雙采樣電流預(yù)測算法，利用預(yù)測電流值作為反饋電流進行電流環(huán)控制，有效補償了穩(wěn)定裕度，抑制動態(tài)超調(diào)，實現(xiàn)電流環(huán)接近理想阻尼比下的控制性能，且電流環(huán)動態(tài)性能較好。該電流預(yù)測器無需依賴任何模型參數(shù)，且實現(xiàn)簡單、魯棒性較強。

為了驗證所提改進型電流環(huán)調(diào)節(jié)機制性能，研究人員基于一臺550000r/min/110W超高速微型永磁電機，進行了仿真與實驗分析，充分驗證了所提出改進型電流環(huán)控制方案的有效性與優(yōu)越性。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“超高速永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)電流環(huán)穩(wěn)定性分析與改進設(shè)計”。本課題得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金的支持。