- 頭條南航學者提出超高速永磁電機驅動系統的電流環改進設計方案2022-11-14 作者：鮑旭聰、王曉琳 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語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《電工技術學報》上撰文，對電流環動態模型進行精確重構，并系統分析高基頻運行條件下延遲引入的交叉耦合與時延效應對系統穩定性的影響。
多電/全電型航空航天系統中的電力推進系統、電力作動系統、起動/發電系統及環控系統等均朝著高功率密度、高效率、高可靠性的趨勢發展。電機系統作為上述應用領域的核心單元，具有重要意義。基于超高速電機（Ultra High Speed Motor, UHSM）的電力傳動系統具有功率密度高、體積小、質量輕的顯著優勢，十分適合航空航天領域的性能要求，對于多電/全電型航空航天系統的發展具有重要的意義。
除航空航天領域外，對于某些現代化工業應用，如高速離心式壓縮機、微型燃氣輪起動/發電機、飛輪儲能等，能夠實現直驅結構，顯著減小體積、質量與維護成本，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，功率密度與效率優勢更為顯著，近年來表現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，性能優良的驅動系統是發揮其潛能的關鍵所在。現有驅動系統通常采用數字微控制器（Microprogrammed Control Unit, MCU）實現數字化驅動。然而，由于超高速永磁電機工作基頻高，在應用磁場定向控制（Field Oriented Control, FOC）策略時，系統延遲對系統穩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《電工技術學報》上撰文，對電流環動態模型進行精確重構，并系統分析高基頻運行條件下延遲引入的交叉耦合與時延效應對系統穩定性的影響。
他們在此基礎上，提出一種適用于超高速電機的基于雙采樣電流預測的阻尼-積分型電流環調節機制，通過對系統阻尼比進行補償，消除附加交叉耦合影響。此外，研究人員還設計了一種分段執行式的雙采樣電流預測算法，可在不依賴任何參數的情況下實現下一拍反饋電流預測，有效補償系統穩定裕度。以上兩個措施為確保超高基頻系統全局穩定提供了有力保障。
圖1 超高速永磁電機驅動系統實驗平臺
他們的具體工作內容包括：
1）在考慮高基頻系統延遲的條件下，對電流環動態模型進行重構精確建模，深入分析延遲對系統穩定性的影響：①延遲在原電流環動態模型的前向通道和反饋通道分別引入一個附加交叉耦合，從而降低系統阻尼比，降低電流環穩定性，嚴重時甚至會造成負阻尼比進而導致系統失穩；②時延效應將明顯降低系統穩定裕度，造成動態超調增大。
2）基于考慮附加交叉耦合后電流環動態模型變化情況，提出了一種適用于超高速電機驅動系統的阻尼-積分型電流調節器，并推導了實現期望阻尼比的補償條件，給出了設計原則。所提方案避免了傳統超高速電機驅動系統阻尼比與閉環帶寬之間的矛盾，實現了高基頻下系統阻尼比有效補償，保證系統全局穩定性。
3）針對時間延遲效應造成的系統穩定裕度降低問題，提出了一種適用于高基頻低載頻比的分段執行式的雙采樣電流預測算法，利用預測電流值作為反饋電流進行電流環控制，有效補償了穩定裕度，抑制動態超調，實現電流環接近理想阻尼比下的控制性能，且電流環動態性能較好。該電流預測器無需依賴任何模型參數，且實現簡單、魯棒性較強。
為了驗證所提改進型電流環調節機制性能，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控制方案的有效性與優越性。
本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“超高速永磁電機驅動系統電流環穩定性分析與改進設計”。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。
