张前等：车载超高速永磁无刷电机驱动器 ·1573· 冲宽度调制驱动器，这意味着Buk变换器调压引起的 90r 损耗大于逆变器斩波调压的损耗.就整个空压机系统 80 ·一高频谐波损耗 ·一Buck损耗 而言，在同样转速下需要的机械功率是一定的，驱动器 70 ·一驱动器损耗差 输出的功率是机械功率和电磁损耗之和，因此，驱动器 60 输出功率越高意味着电机上产生的电磁损耗越大.从 三50 输出曲线可以看出，60000r·min以上时脉冲宽度调 40 制驱动的输出功率均大于方波驱动，这说明了脉冲宽 30 度调制驱动在电机内产生的电磁损耗较大.通过该试 20 验可以看出，脉冲宽度调制驱动方式在驱动器上产生 10 的损耗小于方波驱动，但是在电机内产生的损耗却大 1000020000300004000050000600007000080000 于方波驱动，这与图2中的实验结果相吻合 转速r·min- 图19高频谐波损耗与Buck损耗对比 7000 一方波输人 ·一PWM输人 100 Fig.19 Comparison of high-frequency harmonic and Buck losses 6000 ·一方波输出 一PWM输出 ·方波效率 -PWM效率 5000 90%最高转速的响应时间为1.5s:在10s时刻，驱动 效率 器转速控制指令由80000r·minl改变为60000r· ≥4000 85 min,从发送速度指令到初次达到设定转速的响应时 3000 80这 间为1.4s,基本可以满足车载空压机系统对动态响应 2000 输出 的要求 1000 70 100000 10002000030000400500006000700008083 10.0.80000) 80000 /(2.1.72000) 转速/r·min) 11.4.60000) 60000 图18驱动器功率及效率 40000 Fig.18 Power and efficiency of the drives 20000 (0.6,8000) 为了进一步比较两种驱动方式在电机和驱动器上 5 10 15 20 损耗的差异，对实验结果进行进一步处理.通过两驱 时间/s 动器输出到电机的功率相减即可得到脉冲宽度调制驱 图20空压机系统动态响应曲线 动下高频斩波在电机内引起的高频电流谐波损耗（简 Fig.20 Dynamic performance curve of the air compressor system 称高频谐波损耗)：方波驱动器Buck变换器输入输出 4 端功率之差即Buck调压引起的损耗(Buck损耗)，方 结论 波驱动器与脉冲宽度调制驱动器损耗的差值即为驱动 目前超高速永磁无刷电机驱动器绝大多数采用逆 器损耗差.通过上述分析得到的高频谐波损耗，Buck 变器处斩波方式进行转速和电流控制，这些控制方式 变换器损耗和驱动器损耗差如图19，从图中可以看 虽然在理论上可以模拟出理想的电流，但是由于超高 出，Buck损耗与驱动器损耗差比较接近且Buck损耗 速永磁无刷电机本体电感极小，很多场合下，现有功率 略大于驱动器损耗差：低速时脉冲宽度调制驱动引起 开关无法同时满足开关频率和功率的要求，以致调制 的高频谐波损耗与Bu©k损耗都比较小，但是随着转速 出的电流存在大量的高频谐波.因此，在现有条件下， 增加，高频谐波损耗的增加速度大于Bu©k损耗的增加 通过输入方波电压来获得相对纯净的电流以减小涡流 速度，因此，在高速下，脉冲宽度调制驱动引起的高频 损耗是一种可行的方案.本文通过设计方波驱动器并 谐波损耗大于Buck调压引起的损耗. 对其控制性能进行验证与分析，证明了该驱动器可以 通过上述一系列实验分析可以看出，方波驱动不 高效平稳地控制车载空气压缩机，并有效减小电流谐 仅会极大减小电机内部的损耗，而且整体功耗也小于 波.本文主要的研究意义在于： 脉冲宽度调制驱动，这对于解决电机转子温升问题和 (1)针对燃料电池汽车空气压缩机成功开发出一 降低定子散热压力来说是非常有意义的，同时也证明 台100000rmin1,12kW的超高速永磁无刷电机无位 了本文采用方波驱动方式的正确性 置传感器方波驱动器，通过与脉冲宽度调制驱动进行 3.3动态响应 对比实验，比较了两种驱动方式在超高速运行状态下 空压机系统动态响应曲线如图20，从实验所得动 的相电流波形、频谱分析结果、输入输出功率及损耗， 态响应曲线可看出，在启动阶段，从发送启动指令到 证明了方波驱动方式可以有效减小电流谐波，降低定 10%最高转速的响应时间为0.6s,从10%最高转速到 转子涡流损耗张 前等: 车载超高速永磁无刷电机驱动器 冲宽度调制驱动器,这意味着 Buck 变换器调压引起的 损耗大于逆变器斩波调压的损耗. 就整个空压机系统 而言,在同样转速下需要的机械功率是一定的,驱动器 输出的功率是机械功率和电磁损耗之和,因此,驱动器 输出功率越高意味着电机上产生的电磁损耗越大. 从 输出曲线可以看出,60000 r·min - 1 以上时脉冲宽度调 制驱动的输出功率均大于方波驱动,这说明了脉冲宽 度调制驱动在电机内产生的电磁损耗较大. 通过该试 验可以看出,脉冲宽度调制驱动方式在驱动器上产生 的损耗小于方波驱动,但是在电机内产生的损耗却大 于方波驱动,这与图 2 中的实验结果相吻合. 图 18 驱动器功率及效率 Fig. 18 Power and efficiency of the drives 为了进一步比较两种驱动方式在电机和驱动器上 损耗的差异,对实验结果进行进一步处理. 通过两驱 动器输出到电机的功率相减即可得到脉冲宽度调制驱 动下高频斩波在电机内引起的高频电流谐波损耗(简 称高频谐波损耗);方波驱动器 Buck 变换器输入输出 端功率之差即 Buck 调压引起的损耗(Buck 损耗),方 波驱动器与脉冲宽度调制驱动器损耗的差值即为驱动 器损耗差. 通过上述分析得到的高频谐波损耗,Buck 变换器损耗和驱动器损耗差如图 19,从图中可以看 出,Buck 损耗与驱动器损耗差比较接近且 Buck 损耗 略大于驱动器损耗差;低速时脉冲宽度调制驱动引起 的高频谐波损耗与 Buck 损耗都比较小,但是随着转速 增加,高频谐波损耗的增加速度大于 Buck 损耗的增加 速度,因此,在高速下,脉冲宽度调制驱动引起的高频 谐波损耗大于 Buck 调压引起的损耗. 通过上述一系列实验分析可以看出,方波驱动不 仅会极大减小电机内部的损耗,而且整体功耗也小于 脉冲宽度调制驱动,这对于解决电机转子温升问题和 降低定子散热压力来说是非常有意义的,同时也证明 了本文采用方波驱动方式的正确性. 3郾 3 动态响应 空压机系统动态响应曲线如图 20,从实验所得动 态响应曲线可看出,在启动阶段,从发送启动指令到 10% 最高转速的响应时间为 0郾 6 s,从 10% 最高转速到 图 19 高频谐波损耗与 Buck 损耗对比 Fig. 19 Comparison of high鄄frequency harmonic and Buck losses 90% 最高转速的响应时间为 1郾 5 s;在 10 s 时刻,驱动 器转速控制指令 由 80000 r·min - 1 改 变 为 60000 r· min - 1 ,从发送速度指令到初次达到设定转速的响应时 间为 1郾 4 s,基本可以满足车载空压机系统对动态响应 的要求. 图 20 空压机系统动态响应曲线 Fig. 20 Dynamic performance curve of the air compressor system 4 结论 目前超高速永磁无刷电机驱动器绝大多数采用逆 变器处斩波方式进行转速和电流控制,这些控制方式 虽然在理论上可以模拟出理想的电流,但是由于超高 速永磁无刷电机本体电感极小,很多场合下,现有功率 开关无法同时满足开关频率和功率的要求,以致调制 出的电流存在大量的高频谐波. 因此,在现有条件下, 通过输入方波电压来获得相对纯净的电流以减小涡流 损耗是一种可行的方案. 本文通过设计方波驱动器并 对其控制性能进行验证与分析,证明了该驱动器可以 高效平稳地控制车载空气压缩机,并有效减小电流谐 波. 本文主要的研究意义在于: (1) 针对燃料电池汽车空气压缩机成功开发出一 台 100000 r·min - 1 ,12 kW 的超高速永磁无刷电机无位 置传感器方波驱动器,通过与脉冲宽度调制驱动进行 对比实验,比较了两种驱动方式在超高速运行状态下 的相电流波形、频谱分析结果、输入输出功率及损耗, 证明了方波驱动方式可以有效减小电流谐波,降低定 转子涡流损耗. ·1573·