（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)磁鐵心的永磁無刷直流電機(jī)相比，定子無鐵空心杯型高速永磁無刷直流電機(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，功率器件的開關(guān)損耗會(huì)顯著增大，給散熱帶來困難，采用軟開關(guān)方法雖然可以降低開關(guān)損耗，但實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和控制方法都過于復(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，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。