【導讀】隨著現(xiàn)代機床向高速、高精度方向發(fā)展，對機床主軸的技術要求越來越高。電主軸作為高速機床的重要組成部件之一，因其轉速高、體積小和優(yōu)異的動態(tài)性能等特性，可有效提高機床的動態(tài)平衡，避免了振動和噪聲。主軸電機放置在機床的主軸單元內(nèi)，直接驅(qū)動負載。因此，簡化了傳統(tǒng)的機械驅(qū)動結構，實現(xiàn)了“零驅(qū)動”。由于電主軸的廣泛應用，推動著電機主軸系統(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。
在現(xiàn)代電主軸、機軸一體化的趨勢下，要達到高速度和小型化的要求，會增大感應電機的銅耗，出現(xiàn)過熱、磨損嚴重的現(xiàn)象，導致電機性能不足。隨著永磁同步電機的發(fā)展，高速永磁同步電主軸應用愈加廣泛。高速永磁同步電主軸與傳統(tǒng)異步感應電機相比，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，在高速磨削系統(tǒng)、高速離心空壓機等領域有著廣泛的應用和發(fā)展前景。
高速永磁同步電機（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor , HSPMSM），通常指額定轉速超過10000r/min以上或者指困難系數(shù)（轉速與功率平方根的乘積）處于（1~10）×105r/min√kw范圍內(nèi)的電機，其控制性能決定著系統(tǒng)工作效率、運行穩(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計和驅(qū)動器中的功率半導體性能，尤其SiC逆變技術的引入使得HSPMSM驅(qū)動器的性能有了長足的進步。
本文將介紹由西安理工大學電氣工程學院王建淵老師課題組搭建的一款基于IM828-XCC的高速電機驅(qū)動器，用于驅(qū)動一臺額定轉速15000r/min，額定功率2.2kW的高速主軸電機，以實現(xiàn)對高速電機的高性能控制，具有高功率密度、高效率和低熱耗散等特點。
本項目設計的高速永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)需實現(xiàn)的主要功能有：實現(xiàn)電流和電壓等信號的采樣處理與控制；實現(xiàn)高速永磁同步電機無傳感器的轉速閉環(huán)控制；實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的速度、定子電流、電壓、功率器件工作溫度等相關數(shù)據(jù)的監(jiān)測，方便電機運行狀態(tài)的檢查與后期維護。
高速永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)要求電機起動平穩(wěn)、速度穩(wěn)定和可調(diào)速范圍廣，根據(jù)高速永磁同步電機的主要參數(shù)來設計其驅(qū)動控制系統(tǒng)的技術指標要求如下：
1 驅(qū)動器最高輸出功率：4kW；
2 電機速度控制穩(wěn)態(tài)精度：±0.5%；
3 驅(qū)動器保護功能：具備過壓、過流、過熱等故障診斷及保護功能。
CIPOS? Maxi IM828簡介
高速電機因其轉速高、基頻高的特點，對相應的驅(qū)動技術提出了更高要求，若開關頻率過低時，會導致驅(qū)動器輸出電壓波形質(zhì)量較差，隨著轉速升高，控制延遲及時間延遲也會隨之加大進而影響控制精度。本課題所設計搭建的高速電機驅(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)良導熱性能，適用于工業(yè)驅(qū)動、電機控制等工業(yè)應用。由于采用碳化硅技術，使其成為高速電機驅(qū)動領域的最佳選擇。
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)動器相結合，具有優(yōu)異的電氣性能，采用CoolSiC的逆變單元，導通損耗小，開關特性優(yōu)異。
保護功能：過電流關閉，內(nèi)置NTC熱敏電阻用于溫度監(jiān)測，所有通道的欠壓鎖定，低側源引腳可用于所有相電流監(jiān)測，保護期間6個開關全部關閉。
其他功能：允許負VS電位高達-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)動器設計
為了充分展示IM828的出色性能和優(yōu)秀特點，設計了一款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
為了驗證驅(qū)動板的性能，測試了在不同工況下IPM的開關特性對電機運行的影響，通過三相調(diào)壓器對平臺供電，被控電機是意大利YSA公司研制的高速主軸電機，電機具體參數(shù)如表1所示。電機控制方式為有速度FOC，如圖4所示為IPM的W相橋臂開關管的dv/dt。
表1 高速電機參數(shù)
實驗工況一
在空載運行條件下分別進行了fs為20kHz和fs為60kHz工況下的性能測試。
圖4：fs=20kHz IPM的W相橋臂開關管關斷的dv/dt
根據(jù)測試波形可以得到關斷時上管的dv/dt為2809V/us，下管的dv/dt為3025V/us。同時也對IPM的導通與關斷延時進行了測試，測試結果如圖5所示，并對MCU到IPM的驅(qū)動信號延時進行測試，測試結果如圖6所示。
圖5：fs=20kHz IPM的導通與關斷延時
圖6：fs=20kHz CPU到IPM的驅(qū)動信號延時
同時，為了體現(xiàn)IPM_828-CXX在高開關頻率下的特性，在開關頻率為60kHz下也進行了相關波形采集，如圖7-9分別為在fs=60kHz下的W相橋臂開關管關斷時的dv/dt、IPM的導通與關斷延時、MCU到IPM的驅(qū)動信號延時。
圖7：fs=60kHz IPM的W相橋臂開關管關斷的dv/dt
圖8：fs=60kHz IPM的導通與關斷延時
圖9：fs=60kHz CPU到IPM的驅(qū)動信號延時
實驗工況二
電機空載啟動，給定轉速1000r/min，穩(wěn)定運行時突加滿載TL=1.75N.m，開關頻率fs=30kHz，電機的相電流如下圖10所示，其中圖(a)為空載運行時的電流波形，圖(b)為滿載運行時的電流波形，可以看出電機在空載情況下運行時，輸出電流在0A附近波動；電機在滿載情況下運行時，輸出電流穩(wěn)定，實驗結果也驗證了本課題所設計搭建的實驗平臺具有良好的驅(qū)動性能。
圖10：電機突變載情況下的電流波形
此時IPM中W相橋臂的dv/dt波形如下：
圖11：W相橋臂上管的關斷與開通時的dv/dt
圖12：W相橋臂下管的關斷與開通時的dv/dt
表2 滿載時IPM內(nèi)部W相橋臂MOS管的dv/dt
當電機系統(tǒng)穩(wěn)定運行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)設計要點及經(jīng)驗分享
硬件驅(qū)動保護調(diào)理
圖10：硬件驅(qū)動保護調(diào)理電路圖
硬件驅(qū)動保護調(diào)理電路具有以下保護功能：
1. MCU復位；
2. 母線過壓；
3. 母線過流；
4. IPM復位信號（VDD欠壓、ITRIP過流）；
5. Enable_PWM。
故障時，PWM-/EN引腳輸出為高電平，74LVX4245停止輸出；正常時引腳輸出為低電平。
散熱器設計
高速電機驅(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計的難點之一，根據(jù)圖11所示得設計原理，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：散熱器設計
熱保護設計
在驅(qū)動控制器溫度過高，超過了設定值，會起到保護作用。
圖12：熱保護設計原理圖
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，通過軟件實現(xiàn)過溫保護。
在本文所提及的熱保護設計方案中，考慮到熱敏電阻安裝部位與芯片之間存在傳導熱損失，故設置過溫保護點為90℃，此時根據(jù)NTC熱敏電阻阻值變化特性表，此時阻值為，MCU側的輸入電壓為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，輸出保護信號，進而封鎖驅(qū)動信號，保護器件。
參考文獻
[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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