引言
异步电机因为价格低廉、结构简单、实用性强 等优点被广泛应用于农业生产与机械制造领域。 随着科技进步和社会发展，市场对于电机的需求量 越来越大，性能要求也越来越高。普通的异步电机 在运行时会产生机械摩擦、噪声等问题，这些直接 影响了电机的运行性能和使用寿命，也限制了其向 高速、超高速方向发展。因此，近年来高速、高性 能的电机更加备受青睐。无轴承异步电机在异步电 机定子转矩绕组的基础上，巧妙地再嵌入一套悬浮 力绕组，在电机中产生不均匀的气隙磁场，通过分 别控制转矩绕组和悬浮力绕组中的电流就可以同时实现其无摩擦旋转与稳定悬浮。无轴承异步电机 不仅具有异步电机的优点，还具有无摩擦磨损、无 需润滑、结构简单、牢固、易维修、寿命长等优点， 在航空航天、高速硬盘、飞轮储能、生物医学以及 无菌无污染操作的特种电气领域具有广阔的应用 前景。
1 无轴承
异步电机运行原理
无轴承异步电机的定子上绕有两套绕组，分别 是极对数为 P1 的转矩绕组和极对数为 P2 的悬浮绕 组。通过两套绕组中电流的相互作用来控制电机气 隙磁场的不均匀性，从而产生作用在转子上的可控 径向力。
2 模型预测电流控制
2.1 基本思想 两电平三相电压型逆变器驱动的无轴承异步 电机的控制框图如图 1 所示。转矩部分预测控制分 为外环和内环两个部分。外环部分根据全阶观测器 观测的磁链和转速，经过 PI 控制器得到定子电流的 给定值。内环部分采用模型预测电流控制，在每一 个电压矢量下，利用电机离散模型预测出下一时刻 的定子磁链和定子电流，使用电流误差限定策略来 代替传统的目标函数对电流进行滚动优化，选取电 流误差限定策略下的电压矢量作为最优电压矢量， 将与最优电压矢量相对应的开关状态在电机的下 一时刻输出，从而实现控制电机旋转。悬浮部分预 测控制是通过转矩部分预测出的定子磁链计算出 气隙磁链通入力/电流转换器中，再经过坐标变换和 电流反馈型脉宽调制(current regulated pulse width modulation，CRPWM)逆变后得到预测的三相电流 来控制电机稳定悬浮。
2.2 转矩部分模型预测电流控制
1）根据式(4)计算出 k 时刻的定子磁链 1s。
2）根据式(5)计算出7种电压矢量下对应的k 1 时刻电流预测值 i1s(k 1)。
3）将得到的电流预测值代入式(6)，计算相应 电流误差i，对其进行限定策略。如果i 大于 imax，则舍去此状态下的开关状态；如果i 小于 imax，根据最接近原则，选取使i 最小的对应的 开关状态进行输出，达到控制逆变器的目的。
3 全阶观测器的设计
当被控对象满足可观条件时，如果被控对象的 状态向量维数等于观测出的状态向量的维数，那么 这个状态观测器就叫做全阶观测器[23]。在无轴承异 步电机数学模型的基础上，加入反馈校正环节，以 定子电流和定子磁链为状态变量，可见，为了配置反馈增益矩阵参数 d1、d2、d3、 d4，需要确定 ze 值的大小，因此选择合理的 e 值有 利于加快全阶观测器的收敛速度，提高系统的动态 性能，但是 e 值不宜设置得过大，否则会对系统稳 定性和抗干扰性产生影响。根据经验，这里将 e 值 定为 1.3，可以得到无轴承异步电机与全阶观测器 的极点配置图如图 5 所示，可见红色部分为全阶观 测器的极点分布，相对于无轴承异步电机的极点分 布更靠左，因此系统具有更快更稳定的动态响应。
4 延时补偿
在实际数字控制系统中，由于存在一拍延迟导 致当前时刻作用的电压矢量要到下一时刻才会被 输出，影响无轴承异步电机的动态和静态性能，因 此需要对无轴承异步电机预测模型进行延时补偿， 具体流程如下：
1）由式(5)和(8)得到 k 1 时刻电流和磁链的预测值。
2）利用 k 1 时刻的状态变量和逆变器提供的 7 种电压矢量来预测 k 2 时刻的状态变量。
结论
本文对于无轴承
异步电机传统矢量控制中电 流畸变过大的问题，提出一种模型预测电流控制策 略，可得出以下结论：
1）在无轴承异步电机离散数学模型的基础上， 分析了电流误差限定策略的工作机理，解决了传统 MPC 算法中权重系数选择困难的问题，同时该策略 降低了开关频率，延长了逆变器的寿命。
2）相对于传统的矢量控制，MPCC 省去了繁 琐的坐标变换，减轻了 DSP 的运算负担。另外本文 引入全阶观测器，提高了参数观测值的精确度，加 快了电机的收敛速度。
3）通过仿真和实验可知，基于 MPCC 的无轴 承异步电机转矩响应快，电流畸变小，能保持很好 的正弦性，转速特性优良，具有良好的控制性能， 可以实现稳定悬浮。
