超高速电机控制器设计

0引言

氢燃料电池是将氢气与氧气的化学能直接转换成电能的发电装置,具有无污染、无噪声、高效率等优点,在航天、汽车等领域有很广阔的应用前景。随着科技的进步,曾经困扰氢燃料电池发展的问题诸如安全性、存储等技术不断完善,作为真正意义上零排放的绿色无污染清洁能源,氢燃料电池在很多领域的应用正在提速。空压机控制器作为氢燃料电池系统的重要组成部分,对燃料电池系统的性能有着重要影响。

目前,空压机控制器正在向小型化、大功率、高转 速方向进化,对控制器的要求也在逐步提高。空压机驱动电机大多选用永磁同步电机(PMSM),具有功率密度高、体积小、重量轻等特点^[1-3],为了达到整个系统的高效节能等要求,电机转速一般在100000r/min 左右,这就对高速电机控制器提出了更高的要求。本文主要开发超高速永磁同步电机控制器,完成了关键功率器件选型、控制器软硬件设计,最后搭建了试验平台,进行试验验证。

1控制器基本组成

超高速永磁同步电机控制器内部结构比较简单,主要由逆变器、预充电回路、输出电抗器、控制板及驱动板等组成,如图1所示。控制器采用直流输入、交流输出,为了抑制直流电压上电瞬间过大的电流击穿器件,设计了直流预充电回路。逆变器将直流电压逆变为三相交流电压,实现电机的频率调节和电压调节。输出电抗器主要用于降低电机电流谐波含量,从而减少电机发热。

2 关键功率器件选型

永磁同步电机的控制大多采用磁场定向控制(Field-0riented control,F0C),磁场定向控制最关键的就是转子磁场角度的确定,主要分为有位置传感器方式和无位置传感器方式。有位置传感器方式,需要在电机内部安装位置传感器,但是对于高速电机,由于安装空间的限制等无法安装位置传感器;而无位置传感器方式,需要采用无传感器算法^[3-4],要求功率器件开关频率越高越好,尤其是载波比在20以上,角度估算会更加准确。但是对于IGBT器件而言,由于高速电机转速很高,最高达到100 000 r/min,变频器输出频率约2 000 Hz,如果PWM载波比为20,则要求 IGBT的开关频率需达到40 KHz, 目前的IGBT很难达到。因此,为了解决高速电机驱动问题,会采用基于 IGBT的三电平驱动,但是电路及控制算法复杂,开关管数量过多;或者采用新型Sic-M0SFET管,该主功率器件开关损耗低,非常适用于高开关频率应用场合,但是价格昂贵。本方案主功率器件仍然采用传统的IGBT模块,两电平方式,组成三相逆变桥,但在软件算法上进行改进,从而达到控制器的性能要求。

逆变器功率器件采用英飞凌高速IGBT模块 FF300R12KT40 该模块属于行业通用器件,性能可靠,价格低,供货稳定,在变频器行业广泛使用。 本项目采用该模块有效降低了系统成本。

3控制器硬件设计

为了实现控制器的小型化、紧凑型设计,控制器硬件电路采用线路板式设计、层叠结构,板子之间实现端子压接,控制器内部几乎没有线缆连接,结构更简单,安装调试方便。 控制器硬件主要包括控制板、驱动板及功率板,如图2所示。控制板以TI公司的DSP 芯片TMS320F28062FPFPQ为核心,电路设计参考TI 官网推荐的硬件设计电路,包括:CAN通信电路,用于上位机数据传输;相电流及母线电压检测电路,用于电压、电机电流采集变换,实现相关算法;温度检测电路,主要用于控制器散热片温度采集;EEPROM 电路,用于关键数据的存储;PWM信号输出,主要实现电平变换,将DSP生成的3.3 V信号转变为驱动板所需的5 V信号。驱动板主要实现PWM信号的隔离放大,包括供电模块电路、电流电压采样电路及PWM 驱动隔离电路。 功率板主要为IGBT相关外围电路的设计。控制板、驱动板与功率板分别通过插针实现叠层连接,结构紧凑。

4控制器软件设计

为了解决高速电机驱动控制问题,同时降低成本,本文主功率器件仍然采用传统的IGBT模块,逆变器主回路结构形式为两电平,通过控制软件的改进,达到高速电机控制要求。

传统的V/F控制实际是一种开环控制,算法简单,对电机参数依赖小,广泛应用于异步电机风机、泵类等负载,但永磁同步电机的V/F控制系统由于存在着固有的不稳定性,动态调整性能比较差,容易造成震荡甚至失步。为了使高速电机控制器能够驱动负载最大转速工作,本文采用一种改进的V/F控制算法^[5],载波比不需要很高,依然能够实现高速电机转速控制要求。控制原理如图3所示,以无功平衡为目标,通过对电机转速和电压的补偿,实现控制系统的稳定,实际上是一种闭环控制,主要包含转速稳定控制和电压补偿部分,实现了电机转速的稳定控制。其中转速稳定控制部分,通过实时检测有功电流i丫,经过高通滤波器得到其快速变化量,通过比例调节器,对转速(频率)进行补偿,实现系统的稳定。 电压补偿部分其主旨思想是以最小电流能够获得最大转矩,取得类似矢量控制id=0的效果,通过检测电机三相电流分解出有功电流i丫和无功电流iδ,计算出无功功率,通过比例控制器控制无功功率的恒定,完成定子电压的补偿。

5 试验验证

为了验证超高速永磁同步电机控制器控制性能,搭建了试验平台,主要包括直流电源、高速电机控制器、空压机、冷水机等。 空压机测试电机典型参数如表1所示。

本方案采用的是两电平通用IGBT,开关频率设定为15 KHz,控制器驱动电机至额定转速100 000 r/min 时电流波形如图4所示,可以看到此时电机电流有效值约为63 A,频率为1 600 Hz,电流正弦度很好,大约为8%,电流基本保持平稳。由于电流谐波含量低,整个控制器连续运行1 hI温度大约为50℃。

6结论

本文以氢燃料电池空压机为研究对象I开发超高速永磁同步电机控制器I采用传统的IGBT主功率器件,且为两电平主回路结构形式,通过改进的V/F控制算法,完成了控制器的设计,搭建了试验平台,试验结果表明,控制器能够实现最高转速的控制。

该控制器既能满足高速电机驱动要求,成本又较采用Sic—MOSFET的高速电机控制器有很大优势,因此,该控制器在今后的产品化市场应用方面具有一定的优势。

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《机电信息》2025年第11期第11篇