高速永磁電機(jī)控制器設(shè)計

黃 其, 伍 權(quán) , 席 唯,曹朝暉

(1. 貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550081；2. 貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴陽550025)

0 引 言

高速電機(jī)尺寸小，可以省去機(jī)械增速機(jī)構(gòu)和油潤滑裝置，降低噪聲同時提高系統(tǒng)傳動效率，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如機(jī)床高速電主軸、儲能系統(tǒng)高速飛輪、污水處理高速鼓風(fēng)機(jī)和氫燃料電池高速壓縮機(jī)等[1]。高速電機(jī)主要有異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)三種結(jié)構(gòu)，其中永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度高、調(diào)速性能好等優(yōu)點，最適合用于高速電機(jī)。

高速永磁電機(jī)設(shè)計相比于常規(guī)電機(jī)面臨更多問題：高頻電流和磁場變化帶來的損耗增加，在高速永磁電機(jī)體積相對較小的情況下散熱更加困難[2]；高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)械臨界轉(zhuǎn)速需要重點考慮，特別是永磁體保護(hù)套設(shè)計；高速永磁電機(jī)的軸承設(shè)計。目前，高速永磁電機(jī)使用較多的是磁懸浮軸承、角接觸陶瓷軸承和空氣懸浮軸承，但軸承的控制技術(shù)和制造工藝技術(shù)都要求非常高。

高速永磁電機(jī)控制相比于低速永磁電機(jī)難度更大。首先，高速永磁電機(jī)安裝位置傳感器成本高、可靠性差，可能因為高速永磁電機(jī)發(fā)熱而損壞，因此高速電機(jī)通常采用無位置傳感器控制方法。但高速永磁電機(jī)的反電動勢系數(shù)小、電阻與電感小，增加了無位置傳感器控制永磁電機(jī)從零速起動到低速運行的困難[3]。其次，高速永磁電機(jī)的電流換相頻率高，通常要求功率元件的開關(guān)頻率高，但會使功率元器件發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致控制器效率降低，若使用SiC或GaN功率器件，則成本大幅增加[4]。最后，高速永磁電機(jī)的電流換相頻率高，控制器需要高速采集電壓和電流信號進(jìn)行坐標(biāo)變換和速度閉環(huán)運算，要求控制芯片的主頻高，以提高程序代碼的運行效率。

本文針對一款電機(jī)電壓為350 V，功率為7.5 kW，轉(zhuǎn)速為60 000 r/min氫燃料電池空壓機(jī)永磁同步電機(jī)設(shè)計控制器，首先介紹高速電機(jī)控制器方案的選型，然后對控制器的硬件和軟件展開設(shè)計，最后進(jìn)行樣機(jī)實驗驗證。

1 高速永磁電機(jī)控制器方案選擇

永磁電機(jī)可以采用方波控制和正弦波控制，分別稱為永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。采用方波控制控制算法實現(xiàn)簡單，但存在換相轉(zhuǎn)矩脈動，導(dǎo)致噪聲大；采用正弦波控制運行平穩(wěn)，噪聲低，但控制算法較復(fù)雜。

1.1 方波控制

圖1為高速永磁電機(jī)方波控制結(jié)構(gòu)圖。它主要由Buck變換電路、三相逆變電路、反電動勢過零點檢測電路、單片機(jī)電路以及電壓/電流檢測電路模塊組成，通過檢測反電動勢過零點再延遲30°電角度進(jìn)行換相。常規(guī)方波控制永磁電機(jī)采用PWM調(diào)速，通過改變?nèi)嗄孀冸娐饭β使艿恼伎毡葋砀淖兌ㄗ永@組上的平均電壓，從而實現(xiàn)永磁電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速[5]。但高速永磁電機(jī)的調(diào)速范圍廣，而高速永磁電機(jī)的電感和電阻值很小，在低速(低占空比)時會出現(xiàn)電流斷續(xù)，導(dǎo)致較大的轉(zhuǎn)矩脈動。為了降低PWM 調(diào)制引起的電流脈動和由此產(chǎn)生的電機(jī)損耗，高速永磁電機(jī)采用前級Buck變換器進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速、后級三相逆變電路只進(jìn)行電流換相的結(jié)構(gòu)[6]。該方案可以降低三相逆變電路的開關(guān)頻率，降低損耗，同時消除 PWM 控制帶來的高頻諧波，抑制轉(zhuǎn)矩脈動，但是需要增加前級Buck 變換器，控制器體積增大，成本上升。

圖1 方波控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 正弦波控制

由上面分析可知，高速永磁電機(jī)采用正弦波控制相比方波控制，電路結(jié)構(gòu)更簡單。同時正弦波控制電機(jī)運行更平穩(wěn)，可以減少轉(zhuǎn)矩波動對高速軸承的影響，提高整機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。因此，氫燃料電池空壓機(jī)電機(jī)采用正弦波控制方式。

圖2 正弦波控制原理圖

2 高速永磁電機(jī)控制器設(shè)計

2.1 功率器件及控制芯片選擇

根據(jù)高速電機(jī)電壓350 V，功率7.5 kW，轉(zhuǎn)速60 000 r/min，可以計算出電機(jī)繞組額定電流在30 A以內(nèi)，因此功率器件的選擇規(guī)格：耐電壓600 V、電流50 A，留有一定裕量。高速電機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用一對極結(jié)構(gòu)，根據(jù)式(1)算出電流頻率為1 kHz。

f=ωp/60

(1)

式中：ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；p為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，p=1。

逆變器通過SVPWM模塊驅(qū)動6個功率器件產(chǎn)生三相正弦波電壓，為了提高輸出電壓波形的正弦度、減少諧波分量，應(yīng)該盡量提高功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率。常規(guī)MOSFET功率器件長時間穩(wěn)定運行的開關(guān)頻率可以達(dá)到100 kHz，但功率容量較小，耐電壓600 V時，電流最大30 A，驅(qū)動高速電機(jī)存在風(fēng)險。因此，該高速電機(jī)控制器選擇Infineon公司IGBT功率模塊DF80R07W1H5FP，最高開關(guān)頻率為30 kHz，應(yīng)用在此電機(jī)控制器時最高開關(guān)頻率設(shè)定為25 kHz。

通常情況下，電流采樣頻率與功率器件的開關(guān)頻率相同，此時要求控制器每 40 μs采樣一輪電流值，在40 μs內(nèi)控制芯片要完成三次坐標(biāo)變換、電流PI調(diào)節(jié)、SVPWM扇區(qū)計算等工作，對控制芯片的主頻率要求較高。永磁同步電機(jī)控制器采用主頻率超過100 MHz的DSP處理器，如TMSF283系列、STM332F4系列、psPIC33F系列等。這些芯片在永磁同步電機(jī)控制方面技術(shù)成熟，但價格較高、并且芯片的很多功能都未使用。因此，該高速電機(jī)控制器采用峰岹科技公司的專用電機(jī)控制芯片F(xiàn)U6861。

FU6861是一款集成高速8051內(nèi)核和電機(jī)控制處理器的(雙核)專用芯片，主頻率24 MHz，該芯片在內(nèi)部集成功率器件驅(qū)動器predriver、電源變換器LDO、內(nèi)置電壓參考VREF和4路模擬比較器、8通道12 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，單周期16*16位乘法器、32/32位除法器(16個時鐘周期)，及永磁同步電機(jī)磁場定向控制器FOC硬件運算器，同時內(nèi)置SPI、I2C、UART等多種通信功能，適用于永磁電機(jī)的方波或正弦波驅(qū)動控制。該高速電機(jī)控制器利用FU6861的8051內(nèi)核，完成滑模觀測器計算和速度PI調(diào)節(jié)器計算、電機(jī)控制內(nèi)核完成坐標(biāo)變換和SVPWM信號計算。

2.2 滑模觀測

高速永磁同步電機(jī)一般不安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速可根據(jù)測量電機(jī)的電流和電壓估算出來，滑模觀測器(SMO)是一種簡單且性能較好的算法。在不影響電機(jī)控制性能的前提下簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可用相繞組的電阻、電流、電感和反電動勢來表示永磁同步電機(jī)的電壓平衡方程[8]，如下：

(2)

式中：Ix為繞組相電流矢量;ex為反電動勢矢量；Vx為輸入電壓矢量；L為繞組電感；R為繞組電阻。

在數(shù)字域中，式(2)可表示：

(3)

圖3 電流觀測器框圖

θ*=arctan(eα,eβ)

(4)

上述計算位置角度θ*時使用了濾波函數(shù)，因此在使用θ*進(jìn)行坐標(biāo)變換前需對相位進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償大小取決于位置角度θ*的變化率(即電機(jī)速度ω)。θ*補(bǔ)償分兩步完成，如圖4所示。

圖4 速度計算框圖

1) 通過未補(bǔ)償?shù)摩?來計算電機(jī)的速度ω；

2) 對計算得到的速度進(jìn)行濾波處理，得到ω*，再計算出θ*的補(bǔ)償量[10]。

2.3 單電流傳感器采樣

電流采樣通常有兩種方法：一種是檢測精密電阻上的電壓，再根據(jù)歐姆定理計算出電流。這種方法成本低，但電流流過精密電阻會產(chǎn)生一定損耗，溫度較高時存在溫飄，適合電流較小的應(yīng)用場合；另一種是直接通過霍爾電流傳感器獲得一個電壓信號。它能測量大電流且功耗小，電流傳感器與繞組之間相互隔離，但成本高、體積大。高速電機(jī)控制功率較大，選擇電流傳感器檢測電流。

永磁同步電機(jī)控制器在進(jìn)行坐標(biāo)變換時需要檢測三相繞組電流，通常采集兩相電流再計算出另一相電流，所以控制器至少需要安裝兩個電流傳感器。但采用兩個或多個電流傳感器,要求使用控制芯片的多路A/D轉(zhuǎn)換，這會占用較多硬件接口資源并增加A/D轉(zhuǎn)換時間。該高速電機(jī)控制器通過單電流傳感器采樣母線電流，通過電流重建策略推導(dǎo)出電機(jī)的各相繞組電流。如表1所示，逆變器下橋臂三個功率器件S2、S4、S6，在不同的開關(guān)組合狀態(tài)下(0代表關(guān)斷、1代表開通)，母線電流傳感器實際測得相電流如表1所示[11]。

表1 母線電流傳感器實測相電流表

2.4 三段式起動

常用的起動方法有三段式、預(yù)定位法、升壓升頻法。針對空壓機(jī)負(fù)載特性，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比、起動階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩低，該高速電機(jī)控制器采用三段式起動方法，包括預(yù)定位、加速、切換三個階段[10]。具體實施如下：

預(yù)定位：將d軸電流給定為0，設(shè)置一定的q軸電流，使電機(jī)鐵心處產(chǎn)生磁通量，將轉(zhuǎn)子的位置固定在初始角度位置。

無位置傳感器永磁電機(jī)起動的加速階段有三種模式：爬坡起動、采用位置估算算法的Omega起動、先開環(huán)起動后再用Omega起動。爬坡起動的原理是首先給定起動電流Iq和強(qiáng)制角度以配合坐標(biāo)變換進(jìn)行SVPWM運算，拖動電機(jī)開環(huán)運行，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到預(yù)定轉(zhuǎn)速時，參考電流Iq和角度信號切換到無位置傳感器閉環(huán)控制算法。Omega起動的原理是，給定起動電流Iq，位置估算算法估算當(dāng)前速度，當(dāng)速度低于起動限制轉(zhuǎn)速時，估算器輸出強(qiáng)制角度，將電機(jī)拖動。當(dāng)電機(jī)速度大于起動的最小切換轉(zhuǎn)速，起動結(jié)束，角度信息由估算算法計算得出。第三種方法先爬坡起動后用Omega起動的方式是結(jié)合前兩種方法的優(yōu)點，先將電機(jī)拖動，電機(jī)有了一定轉(zhuǎn)速后，再用Omega起動，可靠性大幅提高。該高速電機(jī)控制器采用先爬坡起動后用Omega起動的方式。

3 樣機(jī)實驗

3.1 實驗平臺

高速永磁電機(jī)樣機(jī)的熱損耗和控制器的損耗比較大，額定負(fù)載時熱損耗都在200 W以上，需要外部強(qiáng)制冷卻，同時高速軸承需要油潤滑和散熱，因此高速電機(jī)和控制器采用同一套油冷系統(tǒng)。負(fù)載臺給高速永磁電機(jī)施加力矩負(fù)載，示波器測量控制器輸出的三相電流和電壓[12]。

圖5 測試平臺

3.2 高速永磁電機(jī)的起動和調(diào)速

由于氫燃料電池空壓機(jī)屬于風(fēng)機(jī)類負(fù)載，起動階段轉(zhuǎn)速很小，負(fù)載幾乎為零，隨著轉(zhuǎn)速增加，負(fù)載功率快速上升。因此，在測試高速永磁電機(jī)樣機(jī)起動性能時，負(fù)載臺不給電機(jī)加載，高速永磁電機(jī)樣機(jī)空載起動。圖6(a)顯示了無位置傳感器高速電機(jī)起動時的電流波形，從圖6(a)中可以看出,起動過程分為三個階段：預(yù)定位、加速起動(包括爬坡起動和Omega起動)、切換。控制器采用速度閉環(huán)控制，電流由于電機(jī)慣性出現(xiàn)超調(diào)，逐漸趨向穩(wěn)定，空載時,電流3.2 A。待電機(jī)運行穩(wěn)定后，負(fù)載臺給電機(jī)施加負(fù)載扭矩1.2 N·m。圖6(b)顯示了高速電機(jī)在額定負(fù)載時的電流波形，電流有效值為23 A，頻率994 Hz，轉(zhuǎn)速59 640 r/min，速度波動在0.5%以內(nèi)。

(a) 空載起動過程電流波形

3.3 高速電機(jī)控制器的效率特性

圖7 控制器效率分布圖

4 結(jié) 語

高速化是永磁同步電機(jī)的一個發(fā)展方向，但高速永磁電機(jī)本體及控制器在設(shè)計時遇到一些新問題：高速電機(jī)不適合安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，高頻電流和磁場變化帶來的損耗，同時對處理器和軸承提出更高要求。本文針對氫燃料電池高速空壓機(jī)永磁電機(jī)，設(shè)計無位置傳感器控制器，通過檢測母線電流重構(gòu)三相繞組電流，利用滑模觀測器估算轉(zhuǎn)子位置和速度，采用三段式起動方法。實驗結(jié)果顯示，該控制器起動過程穩(wěn)定，在整個調(diào)速范圍效率較高，且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。