【導讀】隨著現代機床向高速、高精度方向發展，對機床主軸的技術要求越來越高。電主軸作為高速機床的重要組成部件之一
，因其轉速高、tijixiaoheyouyidedongtaixingnengdengtexing
，keyouxiaotigaojichuangdedongtaipingheng，bimianlezhendonghezaosheng。zhuzhoudianjifangzhizaijichuangdezhuzhoudanyuannei
，zhijiequdongfuzai。yinci，jianhualechuantongdejixiequdongjiegou，shixianle“零驅動”。由於電主軸的廣泛應用
，推動著電機主軸係統向高精度、高速、低能耗、高效率、高可靠性的方向不斷發展
，成為目前世界各國研究的熱點。

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，會增大感應電機的銅耗
，出現過熱、磨(mo)損(sun)嚴(yan)重(zhong)的(de)現(xian)象(xiang)，導(dao)致(zhi)電(dian)機(ji)性(xing)能(neng)不(bu)足(zu)。隨(sui)著(zhe)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)的(de)發(fa)展(zhan)，高(gao)速(su)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)主(zhu)軸(zhou)應(ying)用(yong)愈(yu)加(jia)廣(guang)泛(fan)。高(gao)速(su)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)主(zhu)軸(zhou)與(yu)傳(chuan)統(tong)異(yi)步(bu)感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)相(xiang)比(bi)，由(you)永(yong)磁(ci)體(ti)提(ti)供(gong)氣(qi)隙(xi)磁(ci)場(chang)
，具(ju)有(you)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)高(gao)、體積小、效率高等優點
，在高速磨削係統、高速離心空壓機等領域有著廣泛的應用和發展前景。

高速永磁同步電機（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor , HSPMSM）

，通常指額定轉速超過10000r/min以上或者指困難係數（轉速與功率平方根的乘積）處於（1~10）×105r/min√kw範圍內的電機
，其控製性能決定著係統工作效率、運行穩定性、壽命以及可靠性等方麵
，而控製特性也依賴於電路設計和驅動器中的功率半導體性能，尤其SiC逆變技術的引入使得HSPMSM驅動器的性能有了長足的進步。

本文將介紹由西安理工大學電氣工程學院王建淵老師課題組搭建的一款基於IM828-XCC的高速電機驅動器
，用於驅動一台額定轉速15000r/min，額定功率2.2kW的高速主軸電機，以實現對高速電機的高性能控製，具有高功率密度

、高效率和低熱耗散等特點。

本項目設計的高速永磁同步電機驅動控製係統需實現的主要功能有：實現電流和電壓等信號的采樣處理與控製；實現高速永磁同步電機無傳感器的轉速閉環控製；實現對電機運行狀態的速度、定子電流
、電壓、功率器件工作溫度等相關數據的監測
，方便電機運行狀態的檢查與後期維護。

高速永磁同步電機驅動控製係統要求電機起動平穩、速度穩定和可調速範圍廣
，根據高速永磁同步電機的主要參數來設計其驅動控製係統的技術指標要求如下：

1 驅動器最高輸出功率：4kW；

2 電機速度控製穩態精度：±0.5%；

3 驅動器保護功能：具備過壓、過流、過熱等故障診斷及保護功能。

CIPOS™ Maxi IM828簡介

高速電機因其轉速高
、jipingaodetedian，duixiangyingdequdongjishutichulegenggaoyaoqiu，ruokaiguanpinlvguodishi，huidaozhiqudongqishuchudianyaboxingzhiliangjiaocha，suizhezhuansushenggao
，kongzhiyanchijishijianyanchiyehuisuizhijiadajineryingxiangkongzhijingdu。benketisuoshejidajiandegaosudianjiqudongqixuanyongyingfeilinggongsishengchandeIM828-XCC，其采用SiC MOSFET組成橋式單元，具有優良導熱性能，適用於工業驅動

、電機控製等工業應用。由於采用碳化矽技術，使其成為高速電機驅動領域的最佳選擇。

IM828-XCC具體分為以下幾個功能單元部分：

逆變部分：采用1200V CoolSiC™ Mosfet的三相逆變器與優化的6通道SOI柵極驅動器相結合，具有優異的電氣性能，采用CoolSiC的逆變單元，導通損耗小，開關特性優異。

保護功能：過電流關閉，內置NTC熱敏電阻用於溫度監測，所有通道的欠壓鎖定
，低側源引腳可用於所有相電流監測，保護期間6個開關全部關閉。

其他功能：允許負VS電位高達-11V，用於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

驅動器設計

為了充分展示IM828的出色性能和優秀特點，設計了一款4.0kW的驅動器

，圖2所示為控製板部分，圖3所示為功率板部分。

圖2：控製部分主要器件位置

圖3：驅動控製器功率部分主要器件位置

為了驗證驅動板的性能，測試了在不同工況下IPM的開關特性對電機運行的影響

，通過三相調壓器對平台供電
，被控電機是意大利YSA公司研製的高速主軸電機，電機具體參數如表1所示。電機控製方式為有速度FOC，如圖4所示為IPM的W相橋臂開關管的dv/dt。

表1 高速電機參數

實驗工況一

在空載運行條件下分別進行了fs為20kHz和fs為60kHz工況下的性能測試。

圖4：fs=20kHz IPM的W相橋臂開關管關斷的dv/dt

根據測試波形可以得到關斷時上管的dv/dt為2809V/us，下管的dv/dt為3025V/us。同時也對IPM的導通與關斷延時進行了測試，測試結果如圖5所示，並對MCU到IPM的驅動信號延時進行測試，測試結果如圖6所示。

圖5：fs=20kHz IPM的導通與關斷延時

圖6：fs=20kHz CPU到IPM的驅動信號延時

同時

，為了體現IPM_828-CXX在高開關頻率下的特性
，在開關頻率為60kHz下也進行了相關波形采集
，如圖7-9分別為在fs=60kHz下的W相橋臂開關管關斷時的dv/dt、IPM的導通與關斷延時
、MCU到IPM的驅動信號延時。

圖7：fs=60kHz IPM的W相橋臂開關管關斷的dv/dt

圖8：fs=60kHz IPM的導通與關斷延時

圖9：fs=60kHz CPU到IPM的驅動信號延時

實驗工況二

電機空載啟動，給定轉速1000r/min，穩定運行時突加滿載TL=1.75N.m，開關頻率fs=30kHz
，電機的相電流如下圖10所示
，其中圖(a)為空載運行時的電流波形，圖(b)為滿載運行時的電流波形

，可以看出電機在空載情況下運行時

，輸出電流在0A附近波動；電機在滿載情況下運行時

，輸出電流穩定，實驗結果也驗證了本課題所設計搭建的實驗平台具有良好的驅動性能。

圖10：電機突變載情況下的電流波形

此時IPM中W相橋臂的dv/dt波形如下：

圖11：W相橋臂上管的關斷與開通時的dv/dt

圖12：W相橋臂下管的關斷與開通時的dv/dt

表2 滿載時IPM內部W相橋臂MOS管的dv/dt

當電機係統穩定運行15分鍾，在環境溫度為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℃。

係統設計要點及經驗分享

硬件驅動保護調理

圖10：硬件驅動保護調理電路圖

硬件驅動保護調理電路具有以下保護功能：

1. MCU複位；

2. 母線過壓；

3. 母線過流
；

4. IPM複位信號（VDD欠壓、ITRIP過流）；

5. Enable_PWM。

故障時，PWM-/EN引腳輸出為高電平
，74LVX4245停止輸出；正常時引腳輸出為低電平。

散熱器設計

高速電機驅動控製器尺寸較小，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

在驅動控製器溫度過高，超過了設定值，會起到保護作用。

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，經過電壓跟隨器與RC電路輸入到MCU，通過軟件實現過溫保護。

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，故設置過溫保護點為90℃，此時根據NTC熱敏電阻阻值變化特性表，此時阻值為
，MCU側的輸入電壓為0.6V左右，通過DAC模塊讀取電壓之後經過軟件程序的比較，輸出保護信號，進而封鎖驅動信號，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

來源：英飛淩

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