基于IM828-XCC的高速電機驅動(dòng)器設計

隨著(zhù)現代機床向高速、高精度方向發(fā)展，對機床主軸的技術(shù)要求越來(lái)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(dòng)態(tài)性能等特性，可有效提高機床的動(dòng)態(tài)平衡，避免了振動(dòng)和噪聲。主軸電機放置在機床的主軸單元內，直接驅動(dòng)負載。因此，簡(jiǎn)化了傳統的機械驅動(dòng)結構，實(shí)現了“零驅動(dòng)”。由于電主軸的廣泛應用，推動(dòng)著(zhù)電機主軸系統向高精度、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(huì )增大感應電機的銅耗，出現過(guò)熱、磨損嚴重的現象，導致電機性能不足。隨著(zhù)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異步感應電機相比，由永磁體提供氣隙磁場(chǎng)，具有功率因數高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在高速磨削系統、高速離心空壓機等領(lǐng)域有著(zhù)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(guò)10000r/min以上或者指困難系數（轉速與功率平方根的乘積）處于（1~10）×105r/min√kw范圍內的電機，其控制性能決定著(zhù)系統工作效率、運行穩定性、壽命以及可靠性等方面，而控制特性也依賴(lài)于電路設計和驅動(dòng)器中的功率半導體性能，尤其SiC逆變技術(shù)的引入使得HSPMSM驅動(dòng)器的性能有了長(cháng)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的高速電機驅動(dòng)器，用于驅動(dòng)一臺額定轉速15000r/min，額定功率2.2kW的高速主軸電機，以實(shí)現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(diǎn)。

本項目設計的高速永磁同步電機驅動(dòng)控制系統需實(shí)現的主要功能有：實(shí)現電流和電壓等信號的采樣處理與控制；實(shí)現高速永磁同步電機無(wú)傳感器的轉速閉環(huán)控制；實(shí)現對電機運行狀態(tài)的速度、定子電流、電壓、功率器件工作溫度等相關(guān)數據的監測，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動(dòng)控制系統要求電機起動(dòng)平穩、速度穩定和可調速范圍廣，根據高速永磁同步電機的主要參數來(lái)設計其驅動(dòng)控制系統的技術(shù)指標要求如下：

1 驅動(dòng)器最高輸出功率：4kW；

2 電機速度控制穩態(tài)精度：±0.5%；

3 驅動(dòng)器保護功能：具備過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障診斷及保護功能。

CIPOS? Maxi IM828簡(jiǎn)介

高速電機因其轉速高、基頻高的特點(diǎn)，對相應的驅動(dòng)技術(shù)提出了更高要求，若開(kāi)關(guān)頻率過(guò)低時(shí)，會(huì )導致驅動(dòng)器輸出電壓波形質(zhì)量較差，隨著(zhù)轉速升高，控制延遲及時(shí)間延遲也會(huì )隨之加大進(jìn)而影響控制精度。本課題所設計搭建的高速電機驅動(dòng)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)驅動(dòng)、電機控制等工業(yè)應用。由于采用碳化硅技術(shù)，使其成為高速電機驅動(dòng)領(lǐng)域的最佳選擇。

IM828-XCC具體分為以下幾個(gè)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柵極驅動(dòng)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(kāi)關(guān)特性?xún)?yōu)異。

保護功能：過(guò)電流關(guān)閉，內置NTC熱敏電阻用于溫度監測，所有通道的欠壓鎖定，低側源引腳可用于所有相電流監測，保護期間6個(gè)開(kāi)關(guān)全部關(guān)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器件內部框圖和器件圖片

驅動(dòng)器設計

為了充分展示IM828的出色性能和優(yōu)秀特點(diǎn)，設計了一款4.0kW的驅動(dòng)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：驅動(dòng)控制器功率部分主要器件位置

為了驗證驅動(dòng)板的性能，測試了在不同工況下IPM的開(kāi)關(guān)特性對電機運行的影響，通過(guò)三相調壓器對平臺供電，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(kāi)關(guān)管的dv/dt。

表1 高速電機參數

實(shí)驗工況一

在空載運行條件下分別進(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(kāi)關(guān)管關(guān)斷的dv/dt

根據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的導通與關(guān)斷延時(shí)進(jìn)行了測試，測試結果如圖5所示，并對MCU到IPM的驅動(dòng)信號延時(shí)進(jìn)行測試，測試結果如圖6所示。

圖5：fs=20kHz IPM的導通與關(guān)斷延時(shí)

圖6：fs=20kHz CPU到IPM的驅動(dòng)信號延時(shí)

同時(shí)，為了體現IPM_828-CXX在高開(kāi)關(guān)頻率下的特性，在開(kāi)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的dv/dt、IPM的導通與關(guān)斷延時(shí)、MCU到IPM的驅動(dòng)信號延時(shí)。

圖7：fs=60kHz IPM的W相橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的dv/dt

圖8：fs=60kHz IPM的導通與關(guān)斷延時(shí)

圖9：fs=60kHz CPU到IPM的驅動(dòng)信號延時(shí)

實(shí)驗工況二

電機空載啟動(dòng)，給定轉速1000r/min，穩定運行時(shí)突加滿(mǎn)載TL=1.75N.m，開(kāi)關(guān)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(shí)的電流波形，圖(b)為滿(mǎn)載運行時(shí)的電流波形，可以看出電機在空載情況下運行時(shí)，輸出電流在0A附近波動(dòng)；電機在滿(mǎn)載情況下運行時(shí)，輸出電流穩定，實(shí)驗結果也驗證了本課題所設計搭建的實(shí)驗平臺具有良好的驅動(dòng)性能。

圖10：電機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(kāi)通時(shí)的dv/dt

圖12：W相橋臂下管的關(guān)斷與開(kāi)通時(shí)的dv/dt

表2 滿(mǎn)載時(shí)IPM內部W相橋臂MOS管的dv/dt

當電機系統穩定運行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℃。

系統設計要點(diǎn)及經(jīng)驗分享

硬件驅動(dòng)保護調理

圖10：硬件驅動(dòng)保護調理電路圖

硬件驅動(dòng)保護調理電路具有以下保護功能：

1. MCU復位；

2. 母線(xiàn)過(guò)壓；

3. 母線(xiàn)過(guò)流；

4. IPM復位信號（VDD欠壓、ITRIP過(guò)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。

散熱器設計

高速電機驅動(dòng)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(diǎn)之一，根據圖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

在驅動(dòng)控制器溫度過(guò)高，超過(guò)了設定值，會(huì )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(guò)電壓跟隨器與RC電路輸入到MCU，通過(guò)軟件實(shí)現過(guò)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(guò)溫保護點(diǎn)為90℃，此時(shí)根據NTC熱敏電阻阻值變化特性表，此時(shí)阻值為，MCU側的輸入電壓為0.6V左右，通過(guò)DAC模塊讀取電壓之后經(jīng)過(guò)軟件程序的比較，輸出保護信號，進(jìn)而封鎖驅動(dòng)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(lái)源：英飛凌