（1）鎖相高精度速度控制 為了實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制，要求磁懸浮飛輪的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有0.1％以上的穩(wěn)速精度，PID控制難以達(dá)到這一精度要求。鎖相技術(shù)在高精度電機(jī)速度控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋頻率信號(hào)和參考頻率信號(hào)同步時(shí)，穩(wěn)速精度可達(dá)0.1％～0.02％。但其在動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力方面有明顯的缺陷。因而，在滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，兼顧動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，是鎖相調(diào)速技術(shù)研究的重點(diǎn)。圖1給出了電機(jī)鎖相速庋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖1 鎖相速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
鎖相調(diào)速控制系統(tǒng)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成，鑒相器是鎖相環(huán)的關(guān)鍵部分。在鎖相調(diào)速系統(tǒng)中，鑒相環(huán)節(jié)一般采用鑒頻－鑒相器（PFD）或采樣－保持鑒相器。雖然PFD的捕捉帶為無(wú)限大，理論上可以不需要速度輔助控制措施，但PFD存在飽和鑒相特性，單純依靠PFD進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并不理想。
為了改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)、提高抗干擾能力，電機(jī)鎖相控制可采用以下兩種方案：
1）雙模控制。即在大速度誤差范圍內(nèi)采用常規(guī)速度反饋控制，一旦進(jìn)人預(yù)先設(shè)置的誤差帶則轉(zhuǎn)人鎖相控制，避免了鑒相器的非線性工作區(qū)，只需考慮平衡點(diǎn)附近的穩(wěn)定性，需要解決的問(wèn)題是兩種控制模式的平滑快速切換以及切換后如何在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的相位鎖定。
2）始終由鎖相環(huán)控制。由于鑒相器的飽和鑒相特性，使大的速度階躍響應(yīng)較慢，且要考慮非線性系統(tǒng)的特殊現(xiàn)象，如多平衡點(diǎn)、極限環(huán)、分岔和混沌等，這樣就需要分析鑒相器的非線性特性和鎖相環(huán)的全局穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)鎖相非線性控制器。
（2）高速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制 電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的波動(dòng)是引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)和噪聲的基本原因之一。飛輪電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的機(jī)械濾波作用雖然可以在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，但仍需通過(guò)控制手段將這一內(nèi)干擾力矩抑制在一定范圍內(nèi)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是電樞反電動(dòng)勢(shì)和電樞電流的函數(shù)，對(duì)于非理想反電動(dòng)勢(shì)波形引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，常通過(guò)直接對(duì)電流波形的優(yōu)化控制或轉(zhuǎn)矩反饋環(huán)節(jié)予以抑制和補(bǔ)償。
對(duì)于采用HALBACH磁體結(jié)構(gòu)的高速無(wú)刷直流電機(jī)，由于具有近正弦性氣隙磁通密度分布的特點(diǎn)，可采用正弦波調(diào)制或空間矢量調(diào)制方式，這樣有利于減小高速電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
（3）降低鐵耗的控制方法 高速無(wú)刷直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，由電流引起的損耗顯著增加，該損耗在總損耗中占有相當(dāng)大的分量，這一損耗包括電機(jī)功放的損耗、電機(jī)的銅耗及電機(jī)繞組由于有電流而引起的附加損耗。其中，前兩項(xiàng)損耗相對(duì)較小，并且決定于第三項(xiàng)損耗所引起的電流大小。因此降低電機(jī)繞組電流所引起的附加損耗成為降低功耗的另一重要途徑。這部分損耗由定子電流非連續(xù)跳變?cè)谵D(zhuǎn)子中引起的損耗和定子電流的PWM分量所引起的損耗兩部分組成。
由定子電流非連續(xù)跳變?cè)谵D(zhuǎn)子中引起的鐵耗，盡管不可避免，但可以降低。采用疊片式轉(zhuǎn)子鐵心和疊片式永磁體保護(hù)套或不導(dǎo)電不導(dǎo)磁的磁體保護(hù)套，可以大大降低該損耗中在轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體保護(hù)套中的比重；或采用無(wú)鐵心定、轉(zhuǎn)子和非導(dǎo)電和非導(dǎo)磁的永磁體保護(hù)套，可以完全消除該種損耗在其中的分量。當(dāng)然，該損耗在永磁體中的分量不但不可避免而且也難以降低。由定子電流的PWM分量所引起的損耗具有高頻的電流分量，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與PWM的開(kāi)關(guān)頻率相比差別很大，因此可以認(rèn)為電機(jī)的定轉(zhuǎn)子同頻率地感應(yīng)著一個(gè)高頻磁場(chǎng)，這一高頻磁場(chǎng)會(huì)在定子、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流損耗。分析表明，這一損耗是定子電流脈動(dòng)幅值平方的函數(shù)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，調(diào)制信號(hào)的占空比增大，電流脈動(dòng)的幅值也增大，導(dǎo)致這一功耗的增大。
與有定子導(dǎo)磁鐵心的永磁無(wú)刷直流電機(jī)相比，定子無(wú)鐵空心杯型高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電樞電感極小，一般只有十幾到幾十微亨。此時(shí)，由PWM的調(diào)制引起的電樞電流脈動(dòng)較大，圖2給出了兩相導(dǎo)通星形三相6狀態(tài)的小電樞電感永磁無(wú)刷直流電機(jī)相電流波形。減小電流脈動(dòng)通常有兩種方案：一是提高PWM的載波頻率，但隨著載波頻率的提高，功率器件的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)顯著增大，給散熱帶來(lái)困難，采用軟開(kāi)關(guān)方法雖然可以降低開(kāi)關(guān)損耗，但實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和控制方法都過(guò)于復(fù)雜；二是隨著飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)直流母線電壓。
圖2 小電樞電感永磁無(wú)刷直流電機(jī)相電流波形
這樣在120°導(dǎo)通區(qū)內(nèi)電樞電流為方波，如圖3所示。
圖3 基于BUCk變換器拓?fù)涞碾姍C(jī)相電流波形
可見(jiàn)，采用該方法能夠從根本上消除由于PWM調(diào)制引起的電流的非連續(xù)跳變，從而有效抑制了由定子電流的PWM分量所引起的電機(jī)鐵耗。