高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動器硬件設(shè)計(jì)

0 引言

隨著氫燃料電池汽車行業(yè)的快速發(fā)展，高速空壓機(jī)市場前景愈發(fā)被看好，其驅(qū)動電機(jī)大多采用永磁同步電機(jī)。高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動器作為空壓機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)，其性能的好壞至關(guān)重要[1]。目前對于高速電機(jī)驅(qū)動器而言，今后的發(fā)展趨勢是向大功率、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變，商用車、大卡車等是其主要應(yīng)用場景。大功率高速電機(jī)驅(qū)動器的研制也勢在必行。本文重點(diǎn)對高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動器的硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為其軟件算法提供實(shí)際驗(yàn)證平臺。

1 設(shè)計(jì)輸入

1）電機(jī)功率： 15kW

2）輸入電壓： DC400～600V

3）輸出電流：三相25A交流；

4）輸出頻率： 1200～1700Hz

5）電機(jī)轉(zhuǎn)速： 70000～100000r/min 。

2 控制器方案

該驅(qū)動器是專門為氫燃料電池高速空壓機(jī)提供的一種高效、平穩(wěn)且容易安裝的部件，主要應(yīng)用對象是重型卡車、電動大巴、電動叉車、電動物流汽車等。控制器為直流輸入，三相交流輸出，控制器主電路主要包括逆變器、控制板和驅(qū)動板等。逆變器拓?fù)溥x用電壓型三相橋式逆變電路，并考慮散熱能力和一定的過載能力。電機(jī)驅(qū)動器核心控制板采用高性能DSP，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算精度高等特點(diǎn)，在計(jì)算速度、采集精度等方面都具有優(yōu)勢。電機(jī)驅(qū)動器由主電路、驅(qū)動電路、輔助電源、信號調(diào)理電路、通信電路等構(gòu)成。控制系統(tǒng)將采集到的電機(jī)相電流、直流母線電壓作為系統(tǒng)閉環(huán)控制的反饋量，通過矢量控制策略對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3逆變器功率器件選型

永磁同步電機(jī)的控制大多采用磁場定向控制（Field-OrientedControl，F(xiàn)OC），磁場定向控制最關(guān)鍵的就是轉(zhuǎn)子磁場角度的確定。對于高速空壓機(jī)，由于安裝空間的限制等無法安裝位置傳感器，需要采用無傳感器控制算法，如滑模控制、基于模型參數(shù)辨識、磁鏈觀測器等[2-6]，為了達(dá)到高速電機(jī)控制性能要求，目前一些廠家采用新型SiC-MOSFET功率器件，SiC功率器件開關(guān)損耗低，非常適用于高開關(guān)頻率應(yīng)用場合，但是價(jià)格昂貴，大約為同等規(guī)格下IGBT價(jià)格的 5～10 倍。為了降低成本，本方案逆變器功率器件采用英飛凌高速IGBT模塊FF300R12KT4。該模塊屬于行業(yè)通用器件，性能可靠，價(jià)格低，供貨穩(wěn)定，在變頻器行業(yè)廣泛使用，本項(xiàng)目采用該模塊有效降低了系統(tǒng)成本。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制器采用一體化水冷鋁散熱外殼，內(nèi)部電路板采用控制板、功率板和驅(qū)動板三層結(jié)構(gòu)：1）控制板：帶有輔助電源電路和低壓控制電路，控制板與功率板之間采用絕緣連接柱固定；2）功率板：帶有電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）電路、電流檢測電路和IGBT模塊，并接有功率回路（母線和三相輸出），功率回路通過銅柱與外部電纜連接；3）驅(qū)動板：用于IGBT的隔離驅(qū)動。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要包括電機(jī)兩相電流、直流母線電壓采集電路及溫度采集電路，用于電機(jī)矢量控制及故障檢測。

直流母線電壓采集電路采用電阻分壓加隔離的方式，電路如圖2所示。直流電壓由分壓電阻分壓后經(jīng)放大電路比例放大為 0～+3V ，信號傳輸?shù)紻SP中進(jìn)行運(yùn)算處理，直流母線電壓采集最大值為 1000V 。

電機(jī)相電流采集電路如圖3所示，采用霍爾電流傳感器HAT500-S。傳感器輸出 0～+5V 電壓，由于DSP的A/D采集輸入為 0～+3V ，因此需在輸出后端增加比例縮小電路進(jìn)行信號調(diào)理，將電流傳感器輸出電壓 0～+5V 調(diào)理至 0～+3V ，滿足DSP芯片A/D模塊端口輸入電壓要求。電流采集最大值為 80A 。

功率開關(guān)器件IGBT模塊額定工作時(shí)，會產(chǎn)生大量的熱量，如果不對散熱片進(jìn)行有效的溫度檢測和過熱保護(hù)，嚴(yán)重時(shí)會有熱擊穿的危險(xiǎn)，因此對IGBT的溫度檢測及過熱保護(hù)顯得尤為重要。本系統(tǒng)IGBT溫度的檢測利用NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，將散熱片溫度采樣信號調(diào)理后，分別接入A/D轉(zhuǎn)換器。

6 IGBT驅(qū)動電路

由于DSP的PWM輸出信號為 3.3V ，驅(qū)動能力弱，無法直接實(shí)現(xiàn)IGBT的門極驅(qū)動，需要專門的驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)信號的隔離放大。逆變器采用安華高的ACPL-330J-500E作為IGBT的隔離驅(qū)動芯片，實(shí)現(xiàn)功率器件的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。該芯片具有VCE過流檢測保護(hù)、欠壓輸出及IGBT軟關(guān)斷等技術(shù)，最大驅(qū)動電流1.5A，被廣泛用于變頻器、UPS等工業(yè)領(lǐng)域。該驅(qū)動芯片為單路驅(qū)動，驅(qū)動電源為5V（VCC），電路以U相上管驅(qū)動為例，輸入信號為DSP的PWM信號經(jīng)過電壓變換為5V信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片，按照驅(qū)動芯片典型應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動。

7 CAN通信電路

空壓機(jī)作為獨(dú)立的一個(gè)設(shè)備，受主控制器控制，空壓機(jī)控制器通過CAN通信實(shí)現(xiàn)與外部控制器的信號傳輸，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

采用高速CAN收發(fā)器芯片TJA1040T/CM118，收發(fā)器專為汽車行業(yè)的高速CAN應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為帶有CAN協(xié)議控制器的微控制器，提供差分發(fā)送和接收能力，TJA1042屬于恩智浦半導(dǎo)體公司的第三代高速CAN收發(fā)器，相比TJA1040等第一代和第二代設(shè)備有顯著改進(jìn)。

8 結(jié)束語

本文主要針對氫燃料電池空壓機(jī)高速電機(jī)驅(qū)動器的硬件部分進(jìn)行論述，介紹了控制器方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案降低了控制器成本，增強(qiáng)了可靠性及穩(wěn)定性，為控制器的軟件設(shè)計(jì)和功能測試奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2025-01-23

作者簡介：趙武玲（1980一），女，河北人，碩士，高級工程師，研究方向：儲能飛輪電氣控制。