黃 其, 伍 權(quán) , 席 唯,曹朝暉
(1. 貴州航天林泉電機(jī)有限公司,貴陽(yáng) 550081;2. 貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴陽(yáng)550025)
高速電機(jī)尺寸小,可以省去機(jī)械增速機(jī)構(gòu)和油潤(rùn)滑裝置,降低噪聲同時(shí)提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率,其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛,如機(jī)床高速電主軸、儲(chǔ)能系統(tǒng)高速飛輪、污水處理高速鼓風(fēng)機(jī)和氫燃料電池高速壓縮機(jī)等[1]。高速電機(jī)主要有異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)三種結(jié)構(gòu),其中永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),最適合用于高速電機(jī)。
高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)相比于常規(guī)電機(jī)面臨更多問題:高頻電流和磁場(chǎng)變化帶來(lái)的損耗增加,在高速永磁電機(jī)體積相對(duì)較小的情況下散熱更加困難[2];高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)械臨界轉(zhuǎn)速需要重點(diǎn)考慮,特別是永磁體保護(hù)套設(shè)計(jì);高速永磁電機(jī)的軸承設(shè)計(jì)。目前,高速永磁電機(jī)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(shù)和制造工藝技術(shù)都要求非常高。
高速永磁電機(jī)控制相比于低速永磁電機(jī)難度更大。首先,高速永磁電機(jī)安裝位置傳感器成本高、可靠性差,可能因?yàn)楦咚儆来烹姍C(jī)發(fā)熱而損壞,因此高速電機(jī)通常采用無(wú)位置傳感器控制方法。但高速永磁電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)小、電阻與電感小,增加了無(wú)位置傳感器控制永磁電機(jī)從零速起動(dòng)到低速運(yùn)行的困難[3]。其次,高速永磁電機(jī)的電流換相頻率高,通常要求功率元件的開關(guān)頻率高,但會(huì)使功率元器件發(fā)熱嚴(yán)重,導(dǎo)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(jī)的電流換相頻率高,控制器需要高速采集電壓和電流信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換和速度閉環(huán)運(yùn)算,要求控制芯片的主頻高,以提高程序代碼的運(yùn)行效率。
本文針對(duì)一款電機(jī)電壓為350 V,功率為7.5 kW,轉(zhuǎn)速為60 000 r/min氫燃料電池空壓機(jī)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)控制器,首先介紹高速電機(jī)控制器方案的選型,然后對(duì)控制器的硬件和軟件展開設(shè)計(jì),最后進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
永磁電機(jī)可以采用方波控制和正弦波控制,分別稱為永磁無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。采用方波控制控制算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但存在換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),導(dǎo)致噪聲大;采用正弦波控制運(yùn)行平穩(wěn),噪聲低,但控制算法較復(fù)雜。
圖1為高速永磁電機(jī)方波控制結(jié)構(gòu)圖。它主要由Buck變換電路、三相逆變電路、反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路、單片機(jī)電路以及電壓/電流檢測(cè)電路模塊組成,通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)再延遲30°電角度進(jìn)行換相。常規(guī)方波控制永磁電機(jī)采用PWM調(diào)速,通過(guò)改變?nèi)嗄孀冸娐饭β使艿恼伎毡葋?lái)改變定子繞組上的平均電壓,從而實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速[5]。但高速永磁電機(jī)的調(diào)速范圍廣,而高速永磁電機(jī)的電感和電阻值很小,在低速(低占空比)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù),導(dǎo)致較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了降低PWM 調(diào)制引起的電流脈動(dòng)和由此產(chǎn)生的電機(jī)損耗,高速永磁電機(jī)采用前級(jí)Buck變換器進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速、后級(jí)三相逆變電路只進(jìn)行電流換相的結(jié)構(gòu)[6]。該方案可以降低三相逆變電路的開關(guān)頻率,降低損耗,同時(shí)消除 PWM 控制帶來(lái)的高頻諧波,抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但是需要增加前級(jí)Buck 變換器,控制器體積增大,成本上升。
圖1 方波控制結(jié)構(gòu)圖
由上面分析可知,高速永磁電機(jī)采用正弦波控制相比方波控制,電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。同時(shí)正弦波控制電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn),可以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)高速軸承的影響,提高整機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。因此,氫燃料電池空壓機(jī)電機(jī)采用正弦波控制方式。
圖2 正弦波控制原理圖
根據(jù)高速電機(jī)電壓350 V,功率7.5 kW,轉(zhuǎn)速60 000 r/min,可以計(jì)算出電機(jī)繞組額定電流在30 A以內(nèi),因此功率器件的選擇規(guī)格:耐電壓600 V、電流50 A,留有一定裕量。高速電機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用一對(duì)極結(jié)構(gòu),根據(jù)式(1)算出電流頻率為1 kHz。
f=ωp/60
(1)
式中:ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速;p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù),p=1。
逆變器通過(guò)SVPWM模塊驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率器件產(chǎn)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(yīng)該盡量提高功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率。常規(guī)MOSFET功率器件長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的開關(guān)頻率可以達(dá)到100 kHz,但功率容量較小,耐電壓600 V時(shí),電流最大30 A,驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)存在風(fēng)險(xiǎn)。因此,該高速電機(jī)控制器選擇Infineon公司IGBT功率模塊DF80R07W1H5FP,最高開關(guān)頻率為30 kHz,應(yīng)用在此電機(jī)控制器時(shí)最高開關(guān)頻率設(shè)定為25 kHz。
通常情況下,電流采樣頻率與功率器件的開關(guān)頻率相同,此時(shí)要求控制器每 40 μs采樣一輪電流值,在40 μs內(nèi)控制芯片要完成三次坐標(biāo)變換、電流PI調(diào)節(jié)、SVPWM扇區(qū)計(jì)算等工作,對(duì)控制芯片的主頻率要求較高。永磁同步電機(jī)控制器采用主頻率超過(guò)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(jī)控制方面技術(shù)成熟,但價(jià)格較高、并且芯片的很多功能都未使用。因此,該高速電機(jī)控制器采用峰岹科技公司的專用電機(jī)控制芯片F(xiàn)U6861。
FU6861是一款集成高速8051內(nèi)核和電機(jī)控制處理器的(雙核)專用芯片,主頻率24 MHz,該芯片在內(nèi)部集成功率器件驅(qū)動(dòng)器predriver、電源變換器LDO、內(nèi)置電壓參考VREF和4路模擬比較器、8通道12 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,單周期16*16位乘法器、32/32位除法器(16個(gè)時(shí)鐘周期),及永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制器FOC硬件運(yùn)算器,同時(shí)內(nèi)置SPI、I2C、UART等多種通信功能,適用于永磁電機(jī)的方波或正弦波驅(qū)動(dòng)控制。該高速電機(jī)控制器利用FU6861的8051內(nèi)核,完成滑模觀測(cè)器計(jì)算和速度PI調(diào)節(jié)器計(jì)算、電機(jī)控制內(nèi)核完成坐標(biāo)變換和SVPWM信號(hào)計(jì)算。
高速永磁同步電機(jī)一般不安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器,電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速可根據(jù)測(cè)量電機(jī)的電流和電壓估算出來(lái),滑模觀測(cè)器(SMO)是一種簡(jiǎn)單且性能較好的算法。在不影響電機(jī)控制性能的前提下簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,可用相繞組的電阻、電流、電感和反電動(dòng)勢(shì)來(lái)表示永磁同步電機(jī)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(dòng)勢(shì)矢量;Vx為輸入電壓矢量;L為繞組電感;R為繞組電阻。
在數(shù)字域中,式(2)可表示:
(3)
圖3 電流觀測(cè)器框圖
θ*=arctan(eα,eβ)
(4)
上述計(jì)算位置角度θ*時(shí)使用了濾波函數(shù),因此在使用θ*進(jìn)行坐標(biāo)變換前需對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償大小取決于位置角度θ*的變化率(即電機(jī)速度ω)。θ*補(bǔ)償分兩步完成,如圖4所示。
圖4 速度計(jì)算框圖
1) 通過(guò)未補(bǔ)償?shù)摩?來(lái)計(jì)算電機(jī)的速度ω;
2) 對(duì)計(jì)算得到的速度進(jìn)行濾波處理,得到ω*,再計(jì)算出θ*的補(bǔ)償量[10]。
電流采樣通常有兩種方法:一種是檢測(cè)精密電阻上的電壓,再根據(jù)歐姆定理計(jì)算出電流。這種方法成本低,但電流流過(guò)精密電阻會(huì)產(chǎn)生一定損耗,溫度較高時(shí)存在溫飄,適合電流較小的應(yīng)用場(chǎng)合;另一種是直接通過(guò)霍爾電流傳感器獲得一個(gè)電壓信號(hào)。它能測(cè)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(jī)控制功率較大,選擇電流傳感器檢測(cè)電流。
永磁同步電機(jī)控制器在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)需要檢測(cè)三相繞組電流,通常采集兩相電流再計(jì)算出另一相電流,所以控制器至少需要安裝兩個(gè)電流傳感器。但采用兩個(gè)或多個(gè)電流傳感器,要求使用控制芯片的多路A/D轉(zhuǎn)換,這會(huì)占用較多硬件接口資源并增加A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。該高速電機(jī)控制器通過(guò)單電流傳感器采樣母線電流,通過(guò)電流重建策略推導(dǎo)出電機(jī)的各相繞組電流。如表1所示,逆變器下橋臂三個(gè)功率器件S2、S4、S6,在不同的開關(guān)組合狀態(tài)下(0代表關(guān)斷、1代表開通),母線電流傳感器實(shí)際測(cè)得相電流如表1所示[11]。
表1 母線電流傳感器實(shí)測(cè)相電流表
常用的起動(dòng)方法有三段式、預(yù)定位法、升壓升頻法。針對(duì)空壓機(jī)負(fù)載特性,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比、起動(dòng)階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩低,該高速電機(jī)控制器采用三段式起動(dòng)方法,包括預(yù)定位、加速、切換三個(gè)階段[10]。具體實(shí)施如下:
預(yù)定位:將d軸電流給定為0,設(shè)置一定的q軸電流,使電機(jī)鐵心處產(chǎn)生磁通量,將轉(zhuǎn)子的位置固定在初始角度位置。
無(wú)位置傳感器永磁電機(jī)起動(dòng)的加速階段有三種模式:爬坡起動(dòng)、采用位置估算算法的Omega起動(dòng)、先開環(huán)起動(dòng)后再用Omega起動(dòng)。爬坡起動(dòng)的原理是首先給定起動(dòng)電流Iq和強(qiáng)制角度以配合坐標(biāo)變換進(jìn)行SVPWM運(yùn)算,拖動(dòng)電機(jī)開環(huán)運(yùn)行,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到預(yù)定轉(zhuǎn)速時(shí),參考電流Iq和角度信號(hào)切換到無(wú)位置傳感器閉環(huán)控制算法。Omega起動(dòng)的原理是,給定起動(dòng)電流Iq,位置估算算法估算當(dāng)前速度,當(dāng)速度低于起動(dòng)限制轉(zhuǎn)速時(shí),估算器輸出強(qiáng)制角度,將電機(jī)拖動(dòng)。當(dāng)電機(jī)速度大于起動(dòng)的最小切換轉(zhuǎn)速,起動(dòng)結(jié)束,角度信息由估算算法計(jì)算得出。第三種方法先爬坡起動(dòng)后用Omega起動(dòng)的方式是結(jié)合前兩種方法的優(yōu)點(diǎn),先將電機(jī)拖動(dòng),電機(jī)有了一定轉(zhuǎn)速后,再用Omega起動(dòng),可靠性大幅提高。該高速電機(jī)控制器采用先爬坡起動(dòng)后用Omega起動(dòng)的方式。
高速永磁電機(jī)樣機(jī)的熱損耗和控制器的損耗比較大,額定負(fù)載時(shí)熱損耗都在200 W以上,需要外部強(qiáng)制冷卻,同時(shí)高速軸承需要油潤(rùn)滑和散熱,因此高速電機(jī)和控制器采用同一套油冷系統(tǒng)。負(fù)載臺(tái)給高速永磁電機(jī)施加力矩負(fù)載,示波器測(cè)量控制器輸出的三相電流和電壓[12]。
圖5 測(cè)試平臺(tái)
由于氫燃料電池空壓機(jī)屬于風(fēng)機(jī)類負(fù)載,起動(dòng)階段轉(zhuǎn)速很小,負(fù)載幾乎為零,隨著轉(zhuǎn)速增加,負(fù)載功率快速上升。因此,在測(cè)試高速永磁電機(jī)樣機(jī)起動(dòng)性能時(shí),負(fù)載臺(tái)不給電機(jī)加載,高速永磁電機(jī)樣機(jī)空載起動(dòng)。圖6(a)顯示了無(wú)位置傳感器高速電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流波形,從圖6(a)中可以看出,起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段:預(yù)定位、加速起動(dòng)(包括爬坡起動(dòng)和Omega起動(dòng))、切換。控制器采用速度閉環(huán)控制,電流由于電機(jī)慣性出現(xiàn)超調(diào),逐漸趨向穩(wěn)定,空載時(shí),電流3.2 A。待電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后,負(fù)載臺(tái)給電機(jī)施加負(fù)載扭矩1.2 N·m。圖6(b)顯示了高速電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的電流波形,電流有效值為23 A,頻率994 Hz,轉(zhuǎn)速59 640 r/min,速度波動(dòng)在0.5%以內(nèi)。
(a) 空載起動(dòng)過(guò)程電流波形
圖7 控制器效率分布圖
高速化是永磁同步電機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向,但高速永磁電機(jī)本體及控制器在設(shè)計(jì)時(shí)遇到一些新問題:高速電機(jī)不適合安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器,高頻電流和磁場(chǎng)變化帶來(lái)的損耗,同時(shí)對(duì)處理器和軸承提出更高要求。本文針對(duì)氫燃料電池高速空壓機(jī)永磁電機(jī),設(shè)計(jì)無(wú)位置傳感器控制器,通過(guò)檢測(cè)母線電流重構(gòu)三相繞組電流,利用滑模觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置和速度,采用三段式起動(dòng)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該控制器起動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定,在整個(gè)調(diào)速范圍效率較高,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低。