高速永磁電機控制器設計

黃 其, 伍 權 , 席 唯,曹朝暉

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

0 引 言

高速電機尺寸小，可以省去機械增速機構和油潤滑裝置，降低噪聲同時提高系統傳動效率，其應用領域也越來越廣泛，如機床高速電主軸、儲能系統高速飛輪、污水處理高速鼓風機和氫燃料電池高速壓縮機等[1]。高速電機主要有異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機三種結構，其中永磁同步電機具有效率高、功率密度高、調速性能好等優點，最適合用于高速電機。

高速永磁電機設計相比于常規電機面臨更多問題：高頻電流和磁場變化帶來的損耗增加，在高速永磁電機體積相對較小的情況下散熱更加困難[2]；高速永磁電機的結構強度和機械臨界轉速需要重點考慮，特別是永磁體保護套設計；高速永磁電機的軸承設計。目前，高速永磁電機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，但軸承的控制技術和制造工藝技術都要求非常高。

高速永磁電機控制相比于低速永磁電機難度更大。首先，高速永磁電機安裝位置傳感器成本高、可靠性差，可能因為高速永磁電機發熱而損壞，因此高速電機通常采用無位置傳感器控制方法。但高速永磁電機的反電動勢系數小、電阻與電感小，增加了無位置傳感器控制永磁電機從零速起動到低速運行的困難[3]。其次，高速永磁電機的電流換相頻率高，通常要求功率元件的開關頻率高，但會使功率元器件發熱嚴重，導致控制器效率降低，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行坐標變換和速度閉環運算，要求控制芯片的主頻高，以提高程序代碼的運行效率。

本文針對一款電機電壓為350 V，功率為7.5 kW，轉速為60 000 r/min氫燃料電池空壓機永磁同步電機設計控制器，首先介紹高速電機控制器方案的選型，然后對控制器的硬件和軟件展開設計，最后進行樣機實驗驗證。

1 高速永磁電機控制器方案選擇

永磁電機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和永磁同步電機。采用方波控制控制算法實現簡單，但存在換相轉矩脈動，導致噪聲大；采用正弦波控制運行平穩，噪聲低，但控制算法較復雜。

1.1 方波控制

圖1為高速永磁電機方波控制結構圖。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°電角度進行換相。常規方波控制永磁電機采用PWM調速，通過改變三相逆變電路功率管的占空比來改變定子繞組上的平均電壓，從而實現永磁電機的調壓調速[5]。但高速永磁電機的調速范圍廣，而高速永磁電機的電感和電阻值很小，在低速(低占空比)時會出現電流斷續，導致較大的轉矩脈動。為了降低PWM 調制引起的電流脈動和由此產生的電機損耗，高速永磁電機采用前級Buck變換器進行調壓調速、后級三相逆變電路只進行電流換相的結構[6]。該方案可以降低三相逆變電路的開關頻率，降低損耗，同時消除 PWM 控制帶來的高頻諧波，抑制轉矩脈動，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 方波控制結構圖

1.2 正弦波控制

由上面分析可知，高速永磁電機采用正弦波控制相比方波控制，電路結構更簡單。同時正弦波控制電機運行更平穩，可以減少轉矩波動對高速軸承的影響，提高整機系統的使用壽命。因此，氫燃料電池空壓機電機采用正弦波控制方式。

圖2 正弦波控制原理圖

2 高速永磁電機控制器設計

2.1 功率器件及控制芯片選擇

根據高速電機電壓350 V，功率7.5 kW，轉速60 000 r/min，可以計算出電機繞組額定電流在30 A以內，因此功率器件的選擇規格：耐電壓600 V、電流50 A，留有一定裕量。高速電機轉子通常采用一對極結構，根據式(1)算出電流頻率為1 kHz。

f=ωp/60

(1)

式中：ω為電機轉速；p為轉子極對數，p=1。

逆變器通過SVPWM模塊驅動6個功率器件產生三相正弦波電壓，為了提高輸出電壓波形的正弦度、減少諧波分量，應該盡量提高功率開關器件的開關頻率。常規MOSFET功率器件長時間穩定運行的開關頻率可以達到100 kHz，但功率容量較小，耐電壓600 V時，電流最大30 A，驅動高速電機存在風險。因此，該高速電機控制器選擇Infineon公司IGBT功率模塊DF80R07W1H5FP，最高開關頻率為30 kHz，應用在此電機控制器時最高開關頻率設定為25 kHz。

通常情況下，電流采樣頻率與功率器件的開關頻率相同，此時要求控制器每 40 μs采樣一輪電流值，在40 μs內控制芯片要完成三次坐標變換、電流PI調節、SVPWM扇區計算等工作，對控制芯片的主頻率要求較高。永磁同步電機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控制方面技術成熟，但價格較高、并且芯片的很多功能都未使用。因此，該高速電機控制器采用峰岹科技公司的專用電機控制芯片FU6861。

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

2.2 滑模觀測

高速永磁同步電機一般不安裝轉子位置傳感器，電機的位置和轉速可根據測量電機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。在不影響電機控制性能的前提下簡化永磁同步電機的數學模型，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，因此在使用θ*進行坐標變換前需對相位進行補償，補償大小取決于位置角度θ*的變化率(即電機速度ω)。θ*補償分兩步完成，如圖4所示。

圖4 速度計算框圖

1) 通過未補償的θ*來計算電機的速度ω；

2) 對計算得到的速度進行濾波處理，得到ω*，再計算出θ*的補償量[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生一定損耗，溫度較高時存在溫飄，適合電流較小的應用場合；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。高速電機控制功率較大，選擇電流傳感器檢測電流。

永磁同步電機控制器在進行坐標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轉換，這會占用較多硬件接口資源并增加A/D轉換時間。該高速電機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出電機的各相繞組電流。如表1所示，逆變器下橋臂三個功率器件S2、S4、S6，在不同的開關組合狀態下(0代表關斷、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、預定位法、升壓升頻法。針對空壓機負載特性，轉矩與轉速平方成正比、起動階段負載轉矩低，該高速電機控制器采用三段式起動方法，包括預定位、加速、切換三個階段[10]。具體實施如下：

預定位：將d軸電流給定為0，設置一定的q軸電流，使電機鐵心處產生磁通量，將轉子的位置固定在初始角度位置。

無位置傳感器永磁電機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和強制角度以配合坐標變換進行SVPWM運算，拖動電機開環運行，當電機轉速增加到預定轉速時，參考電流Iq和角度信號切換到無位置傳感器閉環控制算法。Omega起動的原理是，給定起動電流Iq，位置估算算法估算當前速度，當速度低于起動限制轉速時，估算器輸出強制角度，將電機拖動。當電機速度大于起動的最小切換轉速，起動結束，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起動的方式是結合前兩種方法的優點，先將電機拖動，電機有了一定轉速后，再用Omega起動，可靠性大幅提高。該高速電機控制器采用先爬坡起動后用Omega起動的方式。

3 樣機實驗

3.1 實驗平臺

高速永磁電機樣機的熱損耗和控制器的損耗比較大，額定負載時熱損耗都在200 W以上，需要外部強制冷卻，同時高速軸承需要油潤滑和散熱，因此高速電機和控制器采用同一套油冷系統。負載臺給高速永磁電機施加力矩負載，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 高速永磁電機的起動和調速

由于氫燃料電池空壓機屬于風機類負載，起動階段轉速很小，負載幾乎為零，隨著轉速增加，負載功率快速上升。因此，在測試高速永磁電機樣機起動性能時，負載臺不給電機加載，高速永磁電機樣機空載起動。圖6(a)顯示了無位置傳感器高速電機起動時的電流波形，從圖6(a)中可以看出,起動過程分為三個階段：預定位、加速起動(包括爬坡起動和Omega起動)、切換?？刂破鞑捎盟俣乳]環控制，電流由于電機慣性出現超調，逐漸趨向穩定，空載時,電流3.2 A。待電機運行穩定后，負載臺給電機施加負載扭矩1.2 N·m。圖6(b)顯示了高速電機在額定負載時的電流波形，電流有效值為23 A，頻率994 Hz，轉速59 640 r/min，速度波動在0.5%以內。

(a) 空載起動過程電流波形

3.3 高速電機控制器的效率特性

圖7 控制器效率分布圖

4 結 語

高速化是永磁同步電機的一個發展方向，但高速永磁電機本體及控制器在設計時遇到一些新問題：高速電機不適合安裝轉子位置傳感器，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永磁電機，設計無位置傳感器控制器，通過檢測母線電流重構三相繞組電流，利用滑模觀測器估算轉子位置和速度，采用三段式起動方法。實驗結果顯示，該控制器起動過程穩定，在整個調速范圍效率較高，且結構簡單，成本較低。