周 力，周 龍，王 欣，謝成龍，安群濤

(1.中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴陽 550009; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

永磁同步電機(PMSM)具有效率高、控制性能好、功率密度大等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以碳化硅(SiC)為材料的第三代寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體功率器件已在汽車電驅(qū)動、充電電源、感應(yīng)加熱電源等系統(tǒng)中逐步得到應(yīng)用[1-4]。SiC MOSFET具有阻斷電壓高、通態(tài)電阻低、開關(guān)速度快、耐高溫等優(yōu)異性能，可以降低散熱器體積，提升系統(tǒng)功率密度，也可以通過提高開關(guān)頻率來提升系統(tǒng)性能[5]。目前，Cree、Rohm、英飛凌、三菱等半導(dǎo)體廠商相繼推出了電流達數(shù)百安培的SiC MOSFET模塊，能夠滿足數(shù)十千瓦電機驅(qū)動系統(tǒng)的需求。近年來，對于SiC MOSFET應(yīng)用中的柵極驅(qū)動[6-7]、干擾抑制[8-9]、系統(tǒng)性能提升策略[10-11]等方面的研究得到了學(xué)者的關(guān)注。

高速永磁同步電機可以進一步提升功率密度，但由于繞組電感量小、基波頻率高，存在電流諧波大的問題，通過采用寬禁帶器件提高開關(guān)頻率是減小電流諧波的有效方案[12]。為提升高速電機的電流環(huán)響應(yīng)，文獻[13-14]針對控制系統(tǒng)時延提出相位補償?shù)姆桨福湫ЧQ于補償相位的準(zhǔn)確性。文獻[15-16]通過減小電流采樣延時來擴展電流環(huán)控制帶寬，增加了高速PMSM系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文針對高速永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用需求，采用SiC MOSEFT模塊作為功率開關(guān)器件，設(shè)計了其柵極驅(qū)動電路，通過提高開關(guān)頻率、優(yōu)化電流采樣時刻和計算時序來減小電流環(huán)中的延時，提升電流動態(tài)響應(yīng)，實驗結(jié)果驗證了方案的有效性。

1 PMSM的控制策略

1.1 PMSM的矢量控制

表貼式永磁同步電機在dq坐標(biāo)系下的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程分別為

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式中，ud、uq分別為電機的d軸和q軸電壓；id、iq分別為d軸和q軸電流；Rs、Ls分別為繞組電阻和電感；p=d/dt為微分算子；ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度；ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；np為電機的極對數(shù)。

采用轉(zhuǎn)子磁場定向id=0控制，表貼式永磁同步電機可以實現(xiàn)電機的最大轉(zhuǎn)矩電流比運行，矢量控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖

1.2 電流環(huán)模型與參數(shù)設(shè)計

以q軸電流環(huán)為例，建立其傳遞函數(shù)模型如圖2所示。圖中，Kp和Ki分別為電流PI調(diào)節(jié)器的比例和積分系數(shù)；Tc為電流采樣到更新PWM之間的計算延時；逆變器傳遞函數(shù)可等效為時間常數(shù)為TPWM、增益為1的一階慣性環(huán)節(jié)，這里TPWM為PWM周期。

圖2 電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖

(3)

式中,TPI為調(diào)節(jié)器時間常數(shù)，且有TPI=Kp/Ki。

可知電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

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其中，T∑i=TPWM+Tc?？傻玫胶喕蟮碾娏鳝h(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為

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按照典型二階系統(tǒng)進行分析，可得到系統(tǒng)阻尼比ξ、開環(huán)截止頻率ωc以及閉環(huán)帶寬ωb，其中閉環(huán)帶寬取閉環(huán)增益減少到-3 dB處的角頻率和相頻特性在-45°處的角頻率較低者?？梢缘玫剑?/p>

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(9)

(10)

可見，電流環(huán)延時時間常數(shù)TΣi直接影響電流環(huán)帶寬，進而影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，減小TΣi就可以拓展電流環(huán)帶寬，提高電機電流的響應(yīng)。

2 電流環(huán)的改進

根據(jù)上面的分析，提高開關(guān)頻率和減小計算延遲均提高電流環(huán)帶寬，本文在采用SiC MOSFET器件來提高開關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，對電流采樣時刻進行優(yōu)化設(shè)計，減小計算延遲。

為了避免電流諧波對采樣電流造成影響，一般在PWM開始或中點時刻進行電流采樣。采用DSP的系統(tǒng)中通常在PWM周期開始時刻進行電流采樣，這樣留給處理器的計算時間為一個PWM周期，更新后的占空比在下一個PWM周期輸出，這樣從電流采樣到計算產(chǎn)生PWM輸出延時了一個PWM周期。本系統(tǒng)采用FPGA計算電流環(huán)，計算時間可以大大縮短，因而選擇在PWM周期中點進行采樣，從而可以拓寬電流環(huán)帶寬，電流采樣與計算時序如圖3所示。

圖3 電流采樣時刻與計算時序

3 PMSM驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。逆變器選用Rohm公司的1200 V、180A SiC MOSFET半橋模塊BSM180D12P2E002構(gòu)建；主控芯片采用DSP(TMS320F28335)和FPGA(EP4CE22E22I7N)。其中，F(xiàn)PGA用于實現(xiàn)電流環(huán)調(diào)節(jié)，DSP用于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及其他輔助功能。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度和速度測量元件，由AD2S1210解調(diào)后將角度和速度值送入FPGA中。

圖4 驅(qū)動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計

SiC MOSFET的驅(qū)動電路采用英飛凌隔離型柵極驅(qū)動芯片1ED020I12-F2，電路結(jié)構(gòu)如圖5，實物圖如圖6所示。1ED020I12-F2是單通道隔離IGBT/MOSFET驅(qū)動器，可用于600 V/1200 V等級功率管，最大驅(qū)動電流位±2 A，具有去飽和過流檢測和米勒鉗位功能。每個SiC MOSFET器件需要一片1ED020I12-F2芯片，芯片的前端與控制電路相連，后端由+15 V轉(zhuǎn)+18 V和-4 V的隔離DC/DC電源供電。過流保護功能通過飽和壓降檢測的方式實現(xiàn)，器件導(dǎo)通期間芯片內(nèi)部0.5 mA恒流源通過DESAT引腳給外部消隱電容充電，若功率器件電流過大導(dǎo)致導(dǎo)通壓降升高，使得電容上的電壓超過9 V閾值，立即產(chǎn)生過流保護信號并使輸出拉低。不像IGBT能夠允許10 μs的短路時間，SiC MOSFET的短路時間一般不超過3 μs，短路保護時間通過選擇消隱電容值來設(shè)定。CLAMP為米勒鉗位功能引腳，當(dāng)關(guān)斷期間檢測到柵極信號高于2 V時，該引腳自動拉至負電源，以防止信號串?dāng)_造成誤導(dǎo)通。

圖5 柵極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖

圖6 柵極驅(qū)動板照片

4 實驗結(jié)果

對SiC MOSFET驅(qū)動電路進行了雙脈沖測試和過流保護功能測試，測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。在雙脈沖的觸發(fā)下，SiC MOSFET實現(xiàn)了大電流的開通與關(guān)斷；當(dāng)發(fā)生過流后，去飽和引腳DESAT電壓在3 μs左右上升至閾值，驅(qū)動芯片將輸出信號自動拉低。

圖7 雙脈沖測試結(jié)果

圖8 過流保護功能測試結(jié)果

本系統(tǒng)供電電壓為500 VDC，電機額定功率32 kW，額定轉(zhuǎn)速13000 r/min，開關(guān)頻率20 kHz。6000 r/min穩(wěn)態(tài)下的三相繞組電流波形如圖9所示，電流有效值為46 A。為考核電流環(huán)響應(yīng)，將電機堵轉(zhuǎn)并給定q軸電流為250 Hz正弦量，電流環(huán)采樣與更新時刻改進前后的測試結(jié)果如圖10所示，改進后電流動態(tài)響應(yīng)加快。

圖9 穩(wěn)態(tài)電流波形

圖10 電流環(huán)改進前后的q軸電流響應(yīng)

5 結(jié) 論

本文針對高速永磁同步電機設(shè)計了采用SiC MOSFET功率模塊的驅(qū)動系統(tǒng)，通過提升開關(guān)頻率和優(yōu)化電流采樣時刻擴展了電流環(huán)控制帶寬，設(shè)計了具有去飽和過流檢測和米勒鉗位功能的柵極驅(qū)動電路，并進行了雙脈沖和過流測試。實驗結(jié)果表明，采用SiC MESFET器件的電機驅(qū)動系統(tǒng)獲得了良好的系統(tǒng)性能，提升了電機電流的動態(tài)響應(yīng)。