【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代機(jī)床向高速、高精度方向發(fā)展，對機(jī)床主軸的技術(shù)要求越來越高。電主軸作為高速機(jī)床的重要組成部件之一，因其轉(zhuǎn)速高、體積小和優(yōu)異的動態(tài)性能等特性，可有效提高機(jī)床的動態(tài)平衡，避免了振動和噪聲。主軸電機(jī)放置在機(jī)床的主軸單元內(nèi)，直接驅(qū)動負(fù)載。因此，簡化了傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了“零驅(qū)動”。由于電主軸的廣泛應(yīng)用，推動著電機(jī)主軸系統(tǒng)向高精度、高速、低能耗、高效率、高可靠性的方向不斷發(fā)展，成為目前世界各國研究的熱點(diǎn)。
在現(xiàn)代電主軸、機(jī)軸一體化的趨勢下，要達(dá)到高速度和小型化的要求，會增大感應(yīng)電機(jī)的銅耗，出現(xiàn)過熱、磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)性能不足。隨著永磁同步電機(jī)的發(fā)展，高速永磁同步電主軸應(yīng)用愈加廣泛。高速永磁同步電主軸與傳統(tǒng)異步感應(yīng)電機(jī)相比，由永磁體提供氣隙磁場，具有功率因數(shù)高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在高速磨削系統(tǒng)、高速離心空壓機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。
高速永磁同步電機(jī)（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor , HSPMSM），通常指額定轉(zhuǎn)速超過10000r/min以上或者指困難系數(shù)（轉(zhuǎn)速與功率平方根的乘積）處于（1~10）×105r/min√kw范圍內(nèi)的電機(jī)，其控制性能決定著系統(tǒng)工作效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、壽命以及可靠性等方面，而控制特性也依賴于電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動器中的功率半導(dǎo)體性能，尤其SiC逆變技術(shù)的引入使得HSPMSM驅(qū)動器的性能有了長足的進(jìn)步。
本文將介紹由西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院王建淵老師課題組搭建的一款基于IM828-XCC的高速電機(jī)驅(qū)動器，用于驅(qū)動一臺額定轉(zhuǎn)速15000r/min，額定功率2.2kW的高速主軸電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對高速電機(jī)的高性能控制，具有高功率密度、高效率和低熱耗散等特點(diǎn)。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的主要功能有：實(shí)現(xiàn)電流和電壓等信號的采樣處理與控制；實(shí)現(xiàn)高速永磁同步電機(jī)無傳感器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的速度、定子電流、電壓、功率器件工作溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，方便電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢查與后期維護(hù)。
高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)要求電機(jī)起動平穩(wěn)、速度穩(wěn)定和可調(diào)速范圍廣，根據(jù)高速永磁同步電機(jī)的主要參數(shù)來設(shè)計(jì)其驅(qū)動控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求如下：
1 驅(qū)動器最高輸出功率：4kW；
2 電機(jī)速度控制穩(wěn)態(tài)精度：±0.5%；
3 驅(qū)動器保護(hù)功能：具備過壓、過流、過熱等故障診斷及保護(hù)功能。
CIPOS? Maxi IM828簡介
高速電機(jī)因其轉(zhuǎn)速高、基頻高的特點(diǎn)，對相應(yīng)的驅(qū)動技術(shù)提出了更高要求，若開關(guān)頻率過低時(shí)，會導(dǎo)致驅(qū)動器輸出電壓波形質(zhì)量較差，隨著轉(zhuǎn)速升高，控制延遲及時(shí)間延遲也會隨之加大進(jìn)而影響控制精度。本課題所設(shè)計(jì)搭建的高速電機(jī)驅(qū)動器選用英飛凌公司生產(chǎn)的IM828-XCC，其采用SiC MOSFET組成橋式單元，具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能，適用于工業(yè)驅(qū)動、電機(jī)控制等工業(yè)應(yīng)用。由于采用碳化硅技術(shù)，使其成為高速電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域的最佳選擇。
IM828-XCC具體分為以下幾個功能單元部分：
逆變部分：采用1200V CoolSiC? Mosfet的三相逆變器與優(yōu)化的6通道SOI柵極驅(qū)動器相結(jié)合，具有優(yōu)異的電氣性能，采用CoolSiC的逆變單元，導(dǎo)通損耗小，開關(guān)特性優(yōu)異。
保護(hù)功能：過電流關(guān)閉，內(nèi)置NTC熱敏電阻用于溫度監(jiān)測，所有通道的欠壓鎖定，低側(cè)源引腳可用于所有相電流監(jiān)測，保護(hù)期間6個開關(guān)全部關(guān)閉。
其他功能：允許負(fù)VS電位高達(dá)-11V，用于VBS=15V的信號傳輸，集成自舉功能。
圖1：IM828-XCC器件內(nèi)部框圖和器件圖片
驅(qū)動器設(shè)計(jì)
為了充分展示IM828的出色性能和優(yōu)秀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款4.0kW的驅(qū)動器，圖2所示為控制板部分，圖3所示為功率板部分。
圖2：控制部分主要器件位置
圖3：驅(qū)動控制器功率部分主要器件位置
為了驗(yàn)證驅(qū)動板的性能，測試了在不同工況下IPM的開關(guān)特性對電機(jī)運(yùn)行的影響，通過三相調(diào)壓器對平臺供電，被控電機(jī)是意大利YSA公司研制的高速主軸電機(jī)，電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。電機(jī)控制方式為有速度FOC，如圖4所示為IPM的W相橋臂開關(guān)管的dv/dt。
表1 高速電機(jī)參數(shù)
實(shí)驗(yàn)工況一
在空載運(yùn)行條件下分別進(jìn)行了fs為20kHz和fs為60kHz工況下的性能測試。
圖4：fs=20kHz IPM的W相橋臂開關(guān)管關(guān)斷的dv/dt
根據(jù)測試波形可以得到關(guān)斷時(shí)上管的dv/dt為2809V/us，下管的dv/dt為3025V/us。同時(shí)也對IPM的導(dǎo)通與關(guān)斷延時(shí)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖5所示，并對MCU到IPM的驅(qū)動信號延時(shí)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。
圖5：fs=20kHz IPM的導(dǎo)通與關(guān)斷延時(shí)
圖6：fs=20kHz CPU到IPM的驅(qū)動信號延時(shí)
同時(shí)，為了體現(xiàn)IPM_828-CXX在高開關(guān)頻率下的特性，在開關(guān)頻率為60kHz下也進(jìn)行了相關(guān)波形采集，如圖7-9分別為在fs=60kHz下的W相橋臂開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的dv/dt、IPM的導(dǎo)通與關(guān)斷延時(shí)、MCU到IPM的驅(qū)動信號延時(shí)。
圖7：fs=60kHz IPM的W相橋臂開關(guān)管關(guān)斷的dv/dt
圖8：fs=60kHz IPM的導(dǎo)通與關(guān)斷延時(shí)
圖9：fs=60kHz CPU到IPM的驅(qū)動信號延時(shí)
實(shí)驗(yàn)工況二
電機(jī)空載啟動，給定轉(zhuǎn)速1000r/min，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)突加滿載TL=1.75N.m，開關(guān)頻率fs=30kHz，電機(jī)的相電流如下圖10所示，其中圖(a)為空載運(yùn)行時(shí)的電流波形，圖(b)為滿載運(yùn)行時(shí)的電流波形，可以看出電機(jī)在空載情況下運(yùn)行時(shí)，輸出電流在0A附近波動；電機(jī)在滿載情況下運(yùn)行時(shí)，輸出電流穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了本課題所設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺具有良好的驅(qū)動性能。
圖10：電機(jī)突變載情況下的電流波形
此時(shí)IPM中W相橋臂的dv/dt波形如下：
圖11：W相橋臂上管的關(guān)斷與開通時(shí)的dv/dt
圖12：W相橋臂下管的關(guān)斷與開通時(shí)的dv/dt
表2 滿載時(shí)IPM內(nèi)部W相橋臂MOS管的dv/dt
當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行15分鐘，在環(huán)境溫度為21℃的條件下，用手持的溫度測試儀測得芯片附近的溫度為40.6℃。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)分享
硬件驅(qū)動保護(hù)調(diào)理
圖10：硬件驅(qū)動保護(hù)調(diào)理電路圖
硬件驅(qū)動保護(hù)調(diào)理電路具有以下保護(hù)功能：
1. MCU復(fù)位；
2. 母線過壓；
3. 母線過流；
4. IPM復(fù)位信號（VDD欠壓、ITRIP過流）；
5. Enable_PWM。
故障時(shí)，PWM-/EN引腳輸出為高電平，74LVX4245停止輸出；正常時(shí)引腳輸出為低電平。
散熱器設(shè)計(jì)
高速電機(jī)驅(qū)動控制器尺寸較小，功率較大，如何將熱量快速散去也是整體設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，根據(jù)圖11所示得設(shè)計(jì)原理，考慮到IPM_IM828-XCC的位置，需要在IPM以及整流橋各加裝墊塊，IPM墊塊是為了保證IPM和散熱器之間的爬電間距和安全距離。
圖11：散熱器設(shè)計(jì)
熱保護(hù)設(shè)計(jì)
在驅(qū)動控制器溫度過高，超過了設(shè)定值，會起到保護(hù)作用。
圖12：熱保護(hù)設(shè)計(jì)原理圖
上圖所示的溫度檢測電路，其基本原理是利用NTC熱敏電阻（5KΩ，精度）的阻值變化特性，連接到PNP管構(gòu)成1mA的恒流源電路中，即可檢測熱敏電阻上的壓降變化，經(jīng)過電壓跟隨器與RC電路輸入到MCU，通過軟件實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)。
在本文所提及的熱保護(hù)設(shè)計(jì)方案中，考慮到熱敏電阻安裝部位與芯片之間存在傳導(dǎo)熱損失，故設(shè)置過溫保護(hù)點(diǎn)為90℃，此時(shí)根據(jù)NTC熱敏電阻阻值變化特性表，此時(shí)阻值為，MCU側(cè)的輸入電壓為0.6V左右，通過DAC模塊讀取電壓之后經(jīng)過軟件程序的比較，輸出保護(hù)信號，進(jìn)而封鎖驅(qū)動信號，保護(hù)器件。
參考文獻(xiàn)
[1]Datasheet of Infineon CIPOS? Maxi IPM IM828-XCC
[2]Wu S, Tian C, Zhao W, et al. Design and analysis of an integrated modular motor drive for more electric aircraft[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2020, 6(4): 1412-1420.
作者：王建淵，顏肅
來源：英飛凌
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