本文是一篇电力论文，本文以表贴式HSPMSM为研究对象，针对HSPMSM在高速运转时d、q轴之间交叉耦合严重的问题以及由于高速电机定子电感小谐波含量大的问题，从系统控制策略角度出发对HSPMSM的解耦策略和电流谐波抑制策略展开研究。
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着现代机床向高速、高精度方向发展，对机床主轴的技术要求越来越高。电主轴作为高速机床的重要组成部件之一，因其转速高、体积小和优异的动态性能等特性，可有效提高机床的动态平衡，避免了振动和噪声。主轴电机放置在机床的主轴单元内，直接驱动负载。因此，简化了传统的机械驱动结构，实现了“零驱动”[1-3]。由于电主轴的广泛应用，推动着电机主轴系统向高精度、高速、低能耗、高效率、高可靠性的方向不断发展，成为目前世界各国研究的热点。
实际应用中，高速电主轴通常采用异步感应电机，然而，由于感应电机需要电枢绕组来产生励磁磁场，其功率因数和工作效率会受到一定限制。在现代电主轴、机轴一体化的趋势下，要达到高速度和小型化的要求，会增大感应电机的铜耗，出现过热、磨损严重的现象，导致电机性能不足。随着永磁同步电机的发展，高速永磁同步电主轴应用愈加广泛。高速永磁同步电主轴与传统异步感应电机相比，由永磁体提供气隙磁场，具有功率因数高、体积小、效率高等优点，在高速磨削系统、高速离心空压机等领域有着广泛的应用和发展前景，因此高速永磁同步电主轴替代传统感应电机已成为一种趋势[4-5]。
高速永磁同步电机（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor , HSPMSM），通常指额定转速超过10000r/min以上或者指困难系数（转速与功率平方根的乘积）处于（1~10）×105r/min kw范围内的电机[6]。由于高速电机一般采用id=0的矢量控制策略，这种控制方式虽然实现了电流环的静态解耦，然而随着运行速度的提高，定子电压中的耦合电压所占比例也会逐渐增加，导致耦合效应加剧。因此，在高速电机控制领域，采用适当的解耦方法来提高电流环的动态响应至关重要。所以，在研究抑制电流谐波的基础上，首先解决电流环的动态耦合问题是提高电流环稳定性的关键因素。
1.2 课题研究现状
1.2.1 高速永磁同步电机电流环解耦策略研究现状
针对HSPMSM交叉耦合严重的问题，国内外学者主要从解耦控制算法角度进行研究，目前解耦控制算法主要分为三类：基于模型的解耦策略、基于扰动补偿的解耦策略和基于复矢量PI的解耦策略。其中基于模型的解耦策略主要依赖于电机本体模型参数，受电机参数影响较大。文献[8]提出了一种以反馈电流为输入的电压补偿解耦方案，该方案直接通过反馈电流计算耦合项的大小，并将估算耦合项的值与实际耦合项直接抵消，以达到解耦目的。但是该方法主要依赖电机电感参数的准确性，若电感参数不确定或在运行中参数发生变化，会导致解耦效果不理想。文献[9]针对反馈解耦依赖电机参数的问题，提出了一种利用d轴电流环的输出对电感进行在线参数辨识的算法，并考虑在低开关频率下由于数字延时对电感估计的误差，加入相位超前补偿角及具有反馈电流预测控制的策略消除数字延时和时间延时的影响，提高了电感参数辨识的精度，从而减小了低载波比下的交叉耦合，提高了电流环的动态响应能力。
基于扰动补偿的解耦策略主要包括偏差解耦、内模解耦等。文献[10]提出了一种解决反馈解耦控制策略受电机参数影响较大、抗干扰性差的偏差解耦控制方法。该方法与电机参数变化无关，主要通过电流调节器计算出电流给定值和反馈值的输出电压，将其与d、q轴之间的耦合电压相抵消，其中并设计滑模观测器对定子电流误差进行补偿。文献[11]针对电机参数变化影响解耦效果的问题，提出一种基于参数辨识的偏差解耦控制策略，采用最小二乘法对影响偏差解耦效果的电感、电阻和永磁体磁链的值进行实时估计，对偏差解耦控制模型中的电机参数进行实时修正，提高了解耦项计算的精度，从而进一步提高了偏差解耦的效果和精度。文献[12]针对内模解耦控制器只从解耦角度出发，不具备调节系统快速性和稳态误差的能力，从而提出了一种改进内模解耦控制的策略。控制器在副对角线解耦网络不变的前提下，该算法引入了比例调节因子和积分调节因子，构建出一种新型的内模解耦控制器。该控制器具有独立调节系统的快速响应和稳态误差消除的能力，进一步提高了控制器的鲁棒性及解耦效果。
2. 高速永磁同步电机数学模型
2.1 高速永磁同步电机数学模型
2.1.1 高速永磁同步电机概述
20世纪50年代第一台永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）制造成功。随着工业技术的发展及电机制造工艺的改进，使永磁同步电机的转速大幅提高。1989年第一台额定转速10000r/min的HSPMSM在瑞典斯德哥尔摩皇家学院制造成功。随着技术的不断发展，国内HSPMSM近年也取得了一些成果，但HSPMSM的制造和控制仍处在突破阶段。
HSPMSM的运行原理与普通电励磁同步电机类似，都是基于电磁感应定律实现电能转换为机械能的原理。其结构由永磁体和定子绕组组成，通过电流产生电磁场，与永磁体的磁场相互作用驱动电机转动。而与传统的电励磁同步电机相比，HSPMSM采用永磁体替代励磁绕组，能够省去励磁电流和励磁损耗，从而提高了电机的效率和可靠性。此外，永磁体的磁场比电励磁强，能够提高电机的输出功率和扭矩密度，使得电机更加紧凑和轻量化。HSPMSM与PMSM的结构相同，主要包括转子、定子、永磁体、轴承等部件，但是高速永磁同步电机采用非接触式的电磁轴承作为支撑系统，相比传统的接触式机械轴承和空气轴承具有无摩擦、无磨损、无需润滑等特点。根据永磁体在转子铁芯中的位置，可以划分为表贴式和内置式两种类型，其内部结构如图2-1所示。
2.2 坐标变换
为了简化分析和控制系统的设计过程，需要对HSPMSM在自然坐标系下的物理量进行坐标变换，从而让表达式更加简单。在电机控制领域，常用的两种坐标变换方法为两相静止坐标变换（Clark变换）和两相同步旋转坐标变换（Park变换）。根据坐标变换之间的关系，建立了如图2-3所示的坐标变换示意图。图中ABC为自然坐标系，α-β为两相静止坐标系，d-q为两相同步旋转坐标系。
3. 高速永磁同步电机复矢量解耦策略 ........................... 13
3.1 高速永磁同步电机复矢量模型 ................................ 13
3.2 基于复矢量的解耦控制策略 ............................ 16
4. 基于超扭曲滑模控制的电流谐波抑制策略 ........................... 22
4.1 高速永磁同步电机谐波电流分析及数学模型 ............................ 22
4.1.1 高速永磁同步电机谐波电流成因分析 ..................... 22
4.1.2 逆变器非线性因素分析 ............................................. 22
5. 系统软硬件设计及实验分析 .................................. 41
5.1 系统整体架构设计 ................................. 41
5.2 系统硬件电路设计 .................................. 41
5. 系统软硬件设计及实验分析
5.1 系统整体架构设计
高速永磁同步电机控制系统平台的整体架构如图5-1所示。该系统主要由以下五部分构成，分别是控制电路、主功率电路、采样及调理电路、旋转变压器解码电路以及开关电源电路。主功率电路采用三相380V/50Hz工频输入供电，经过不控整流电路后，得到所需的直流母线电压。采样调理电路对逆变器三相输出电流进行采样，经过调理后送往单片机的ADC模块进行计算；选取机械式旋转变压器作为HSPMSM速度和位置传感器，将旋变信号送到旋变硬件解码电路进行处理后通过SPI通讯模块送往单片机进行计算。单片机经过计算后，通过SVPWM模块输出六路PWM驱动信号，六路PWM信号经过电平转换及隔离后驱动智能功率（Intelligent Power Module，IPM）模块工作，将直流电压逆变成三相交流电，驱动HSPMSM工作。
6. 总结和展望
6.1 总结
本文以表贴式HSPMSM为研究对象，针对HSPMSM在高速运转时d、q轴之间交叉耦合严重的问题以及由于高速电机定子电感小谐波含量大的问题，从系统控制策略角度出发对HSPMSM的解耦策略和电流谐波抑制策略展开研究，本文已完成的主要工作如下：
（1）介绍了HSPMSM的研究背景和现状，分析了相关控制方法的优缺点和前沿研究动态；建立了HSPMSM的数学模型，分析了其工作原理，为后续的控制策略研究奠定理论基础。
（2）建立了HSPMSM的复矢量数学模型，得到HSPMSM交叉耦合的成因，研究了基于复矢量PI的解耦策略，通过零极点图和伯德图分析了系统的稳定性。通过仿真及实验证明了该方法可以有效的提高电流环的稳定性及动态跟踪性能，实现了d轴电流不会随着q轴电流变化的目的。
（3）从逆变器非线性因素的角度对HSPMSM谐波电流进行成因分析，建立HSPMSM的谐波数学模型，研究了基于多旋转PI控制的谐波抑制策略，设计了谐波提取环节、谐波抑制环节、谐波补偿环节的控制参数。为了提高对特定次电流谐波的抑制效果，研究了一种基于超扭曲滑模控制器的电流谐波抑制方案，仿真及实验结果表明，该方案可以有效降低5、7次电流谐波的含量，并较
