高溫條件下基于兩級式拓撲的高壓永磁同步電機控制技術(shù)研究

王 力

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454000）

高壓永磁同步電機因其具有功率密度大、驅(qū)動效率高等特點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于永磁同步電機經(jīng)常處于高溫、高壓的工作環(huán)境中，如何解決高壓帶來的超負荷問題及高溫帶來的熱損害問題成為研究的焦點。在設(shè)計高壓永磁同步電機的控制系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境靈活選擇不同的拓撲結(jié)構(gòu)。本文基于傳統(tǒng)的單級式拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合高壓永磁同步電機的高溫工作環(huán)境，提出了一種改進的兩級式拓撲高壓電機控制技術(shù)，將前級BUCK 變換器與后級三相全橋逆變器進行聯(lián)合，既可以滿足高壓永磁同步電機的轉(zhuǎn)速調(diào)控需要，同時又能降低轉(zhuǎn)子溫度，保證了永磁同步電機在高溫、高壓環(huán)境下的可靠和穩(wěn)定運行。

1 基于兩級式拓撲的高壓永磁同步電機控制技術(shù)

本文以三相全橋逆變器為核心，構(gòu)建了兩級式拓撲高壓電機控制系統(tǒng)。同時，在直流側(cè)加入一級BUCK變換器，得到了前級為變換器、后級為三相全橋逆變器的兩級式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 兩級式拓撲主功率示意圖

由圖1 可知，前級電路主要包含了BUCK 變換器，以及二極管、濾波電容、支撐電容等組成；后級電路則是由6 支相同的功率管組成。假設(shè)當前級電路處于連續(xù)電流模式時，功率管的占空比為D，此時后級三相全橋電路中各類器件所能承受的最大電壓見表1。

表1 基于兩級式拓撲的電機控制策略電壓應(yīng)力

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的基于兩級式拓撲的電機控制系統(tǒng)中，前級電路可以發(fā)揮降壓功能，這樣就保證了后級電路中各類電器元件在工作時承受的電壓相比于傳統(tǒng)的單級式拓撲電路有一定程度的下降，從而避免了高壓帶來的不良影響。同時，前級電路中的功率管、二極管等不會出現(xiàn)橋臂直通故障，對后級電路產(chǎn)生的電壓應(yīng)力較小。

從整體上看，本文設(shè)計的二級式拓撲相比于單級式拓撲，主要有以下優(yōu)勢。①電壓應(yīng)力更小，可以保證靈敏電器元件在額定電壓下正常工作，防止電器元件受損；②后級電路的直流母線電壓下降以后，橋臂功率管在運行中發(fā)出的電磁噪聲也會相應(yīng)減小，從而保證了采樣數(shù)據(jù)的精確性；③加入BUCK 變換器后，使得系統(tǒng)可以在寬輸入電壓下保持正常運行，進一步擴大了高壓電機控制系統(tǒng)的適用范圍[1]；④兩級式拓撲對電機電流中的高次諧波有更好的抑制作用，在降低電機損耗方面也有明顯的優(yōu)勢。

2 基于兩級式拓撲的電機調(diào)速實現(xiàn)方法

目前比較常用的電機調(diào)速策略，是基于改變逆變器輸出電壓幅值實現(xiàn)的。根據(jù)調(diào)節(jié)原理的不同，又可分為PWM（脈沖寬度調(diào)制）和PAM（脈沖幅度調(diào)制）2 種基本類型。PWM 是保證輸入直流母線電壓的幅值不變，調(diào)節(jié)逆變器功率管占空比，改變輸出電壓的脈寬，進而達到改變輸出電壓幅值的效果；PAM 則是保持逆變器功率管的占空比不變，調(diào)節(jié)直流母線電壓幅值，進而達到改變輸出電壓幅值的效果。本文在PWM 和PAM 調(diào)壓調(diào)速的基礎(chǔ)上，提出了一種兩級式拓撲的電機調(diào)速方式，根據(jù)前后級關(guān)系的不同，又分為2 種實現(xiàn)方法，即前后級獨立控制和前后級聯(lián)合控制。

2.1 前后級獨立控制

前后級獨立控制環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 前后級獨立控制環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合圖2，前級變換器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，后級三相全橋逆變器采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。

在前級電路中，將輸出的直流電壓Vdc與參考電壓Vref作差，然后將差值作為比例積分調(diào)節(jié)器（PI）的輸入信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出參考電感電流iref。將電感電流iL與參考電感電流iref作差，按照同樣的方法再使用PI調(diào)節(jié)器進行差值處理，輸出信號即為功率管占空比。

在后級電路中，將電機轉(zhuǎn)速給定信號nref與轉(zhuǎn)速反饋值n 作差，將差值作為PI 調(diào)節(jié)器的輸入信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出q 軸電流給定值Iqref，將該值與q 軸電流反饋值Iq作差，兩者的差值再次輸入到PI 調(diào)節(jié)器中，經(jīng)處理后輸入q 軸電壓Uq。按照同樣的處理方法，可以得到d 軸電壓Ud。對d 軸和q 軸電壓進行轉(zhuǎn)換后，可以得到α 和β 軸電壓，將2 項數(shù)字作為SVPWM 模塊的輸入信號，經(jīng)過處理后即可得到三相全橋逆變器功率管的開關(guān)波形，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制[2]。

2.2 前后級聯(lián)合控制

前后級獨聯(lián)合控制環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 前后級聯(lián)合控制環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合圖3 可知，該控制模式下前級變換器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，后級三相全橋逆變器采用單電流控制。

在前級前路中，將電機轉(zhuǎn)速給定信號nref與轉(zhuǎn)速反饋值n 作差，將差值作為PI 調(diào)節(jié)器的輸入信號，經(jīng)處理后輸出參考電壓Vref。再將參考電壓與輸出直流電壓作差，將差值作為PI 調(diào)節(jié)器的輸入信號，經(jīng)處理后可以輸出參考電流電感iref。按照同樣的處理方法，將參考電流電感iref與電流電感iL作差，使用PI 調(diào)節(jié)器處理該差值后，輸出功率管占空比。

在后級電路中，將參考適量控制中的Id置為0，只保留電流環(huán)。此時，d 軸的參考電流為0，d 軸的反饋電流值為Id。將兩者作差后，差值作為輸入信號進入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過處理后輸出d 軸電壓Ud，結(jié)合調(diào)制比M和函數(shù)f（x，y）計算出q 軸的電壓值Uq。將Ud和Uq進行處理分別得到α 軸與β 軸的電壓，經(jīng)過SVPWM 模塊處理后，輸出三相全球功率管的開關(guān)波形，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制[3]。

3 濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

3.1 濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)

PWM 波本質(zhì)上屬于短周期脈沖信號，驅(qū)動PWM的功率管在工作時輸出的電壓、電流中含有較多的高次諧波，會影響其他電子設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致電機控制效果受到影響。為了解決這一問題，本文在設(shè)計高壓電機控制系統(tǒng)時，加入了EMI 濾波器，該設(shè)備能夠起到諧波抑制作用，使系統(tǒng)中高次諧波降低至允許范圍，增強系統(tǒng)的電磁兼容性能。EMI 濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4 所示，圖中Lcm表示共模電感，LD表示差模電感，Cy1和Cy2為共模電容，Cx1和Cx2為差模電容。

圖4 EMI 濾波器拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳導(dǎo)途徑的不同，可以將系統(tǒng)中的噪聲干擾分成2 種類型，即共模干擾、差模干擾[4]。因此，本文在設(shè)計EMI 濾波器時，在濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)中也分別加入了共模電感和差模電感，分別對共模干擾和差模干擾起到相應(yīng)的抑制作用。

3.2 濾波器各項參數(shù)的設(shè)計

在設(shè)計EMI 濾波器拓撲結(jié)構(gòu)時，需要重點關(guān)注的參數(shù)有電容、電感兩項，參數(shù)的設(shè)計方法如下。

1）電容參數(shù)的設(shè)計。EMI 濾波器的共模電容值主要與漏電流、開關(guān)頻率等因素有關(guān)，其計算公式為

式中：Im表示最大漏電流，Cmax表示最大漏電流下的電容最大值，U 表示最大電壓，f 表示開關(guān)頻率。

2）電感參數(shù)的設(shè)計。EMI 濾波器的共模電感值主要與截止頻率有關(guān)。截止頻率可通過系統(tǒng)電磁噪聲頻率譜圖獲得，為方便計算取值50 kHz。截止頻率與電感的計算公式為

式中：fr表示截止頻率，求得共模電感Lcm的值為3.07mH。將式中的共模電容Cx替換成差模電容Cy，即可求得差模電感LD的值，為5 μH。

4 高溫環(huán)境下高壓永磁同步電機控制實驗分析

4.1 實驗內(nèi)容

4.1.1 電機調(diào)速實驗

為驗證本文設(shè)計的高壓電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，搭建實驗平臺進行了電機調(diào)速實驗。向該系統(tǒng)輸入一個900V 的直流電壓，并將電機轉(zhuǎn)速設(shè)定為10000rpm，觀察前后級獨立控制和前后級并聯(lián)控制下的電機運行情況。完成空載實驗后，維持直流母線電壓為900 V，電機轉(zhuǎn)速為10 000 rpm，同時，額外增加400 W 的電機負載，進行負載調(diào)速實驗。

4.1.2 電機轉(zhuǎn)軸溫升實驗

為驗證本文設(shè)計的高壓電機控制系統(tǒng)應(yīng)用效果，搭建實驗平臺并進行了電機轉(zhuǎn)軸溫升測定實驗，通過觀察不同控制模式下電機轉(zhuǎn)子的溫升情況，探究兩級式拓撲控制策略在降低電機損耗方面的應(yīng)用效果。實驗平臺由DSP 芯片及其外圍電路，以及驅(qū)動電路、采樣電路、解碼電路等組成。

高壓永磁同步電機的定子溫度、繞組溫度等，都可以反映出電機轉(zhuǎn)子的溫升情況，但是存在溫度測定難度較大、檢測易受干擾等問題。因此，本實驗中選擇比較容易測定，同時不受外界影響對的電機轉(zhuǎn)軸溫度，間接反映轉(zhuǎn)子溫度。實驗中設(shè)定了2 種電機轉(zhuǎn)速和2 種控制策略，交叉組合得到4 種實驗條件，即獨立控制下轉(zhuǎn)速為3 000 rpm 的溫升試驗、獨立控制下轉(zhuǎn)速為6 000 rpm 的溫升試驗、聯(lián)合控制下轉(zhuǎn)速為3 000 rpm的溫升試驗、聯(lián)合控制下轉(zhuǎn)速為6 000 rpm 的溫升試驗。使用熱成像儀，每30 s 記錄一次電機轉(zhuǎn)軸溫度，分別記錄在高壓永磁同步電機運行30、60、90、120、150和180 s 的轉(zhuǎn)軸溫度。

4.2 實驗結(jié)果

4.2.1 電機調(diào)速實驗結(jié)果

在電機空載情況下，2 種控制模式均能在900 V直流電壓下使電機的轉(zhuǎn)速達到設(shè)定的10 000 rpm，說明本文設(shè)計的基于兩級式拓撲的高壓電機控制系統(tǒng)，能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制功能。

在電機負載情況下，采用前后級獨立控制時，電機相電流的峰值約為-6.44A；在前后級聯(lián)合控制時，電機相電流的峰值約為-2.47A。對比可以發(fā)現(xiàn)，采用前后級聯(lián)合控制能夠降低電機啟動電流，有助于防止電機啟動瞬間產(chǎn)生的大電流對電器元件產(chǎn)生沖擊破壞[5]。

本次實驗中還對2 種控制模式下的電流波形展開了快速傅氏變換（FFT）分析。結(jié)果表明，當高壓永磁同步電機處于高轉(zhuǎn)速時，2 種控制模式下電流基波基本一致；但是在高壓電機處于低轉(zhuǎn)速時，采用前后級獨立控制不能根據(jù)電機轉(zhuǎn)速的變化靈活調(diào)節(jié)三相全橋逆變器的直流母線電壓，這種情況下會造成電機電流出現(xiàn)明顯升高，相應(yīng)的電機損耗也會增加。相比之下，采用前后級聯(lián)合控制，則能夠根據(jù)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，同步改變直流母線電壓，保證了高壓電機的電流始終維持在相對恒定的范圍內(nèi)。

由此可見，本文設(shè)計的基于兩級式拓撲的高壓電機控制系統(tǒng)可以很好地完成調(diào)速任務(wù)，達到了設(shè)計預(yù)期。

4.2.2 電機轉(zhuǎn)軸溫升實驗結(jié)果

4 種控制策略下高壓永磁同步電機的轉(zhuǎn)軸溫度的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 電機轉(zhuǎn)軸溫升曲線

結(jié)合圖5 可知，在電機轉(zhuǎn)速和檢測時間相同的情況下，采用前后級聯(lián)合控制模式的電機轉(zhuǎn)軸溫升要低于前后級獨立控制模式。以電機轉(zhuǎn)速為3 000 rpm、時間為60 s 為例，在聯(lián)合控制模式下，電機轉(zhuǎn)軸的溫升為1.1℃；在獨立控制模式下，電機轉(zhuǎn)軸的溫升為3.0℃。電機溫升與電機損耗成正比，這一實驗數(shù)據(jù)表明了采用前后級聯(lián)合控制，能有效降低電機損耗，驗證了基于兩級式拓撲的高壓電機控制策略的有效性。

5 結(jié)束語

高壓永磁同步電機是工業(yè)領(lǐng)域的一種重要設(shè)備，在工業(yè)自動化和智能化發(fā)展背景下，實現(xiàn)對高壓永磁同步電機的自動控制，降低電機運行損耗，成為一項熱門研究課題。傳統(tǒng)的單級式拓撲控制系統(tǒng)，雖然也能起到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同工況的作用，但是在實際應(yīng)用中存在能耗較高、電磁干擾嚴重等情況。本文在單級式拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種改良的兩級式拓撲結(jié)構(gòu)，前級采用BUCK 變換器，后級采用三相全橋逆變器，基于兩者組合拓撲結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓永磁同步電機轉(zhuǎn)速的靈活調(diào)節(jié)，而且還能在高溫、高壓環(huán)境下降低電機轉(zhuǎn)軸的溫升幅度，防止電機轉(zhuǎn)子過熱，對降低高壓電機的運行能耗，以及避免轉(zhuǎn)子過熱故障有積極幫助。