随着现代机床向高速、高精度方向发展，对机床主轴的技术要求越来越高。电主轴作为高速机床的重要组成部件之一，因其转速高、体积小和优异的动态性能等特性，可有效提高机床的动态平衡，避免了振动和噪声。主轴电机放置在机床的主轴单元内，直接驱动负载。因此，简化了传统的机械驱动结构，实现了“零驱动”。由于电主轴的广泛应用，推动着电机主轴系统向高精度、高速、低能耗、高效率、高可靠性的方向不断发展，成为目前世界各国研究的热点。

在现代电主轴、机轴一体化的趋势下，要达到高速度和小型化的要求，会增大感应电机的铜耗，出现过热、磨损严重的现象，导致电机性能不足。随着永磁同步电机的发展，高速永磁同步电主轴应用愈加广泛。高速永磁同步电主轴与传统异步感应电机相比，由永磁体提供气隙磁场，具有功率因数高、体积小、效率高等优点，在高速磨削系统、高速离心空压机等领域有着广泛的应用和发展前景。

高速永磁同步电机（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motor , HSPMSM），通常指额定转速超过10000r/min以上或者指困难系数（转速与功率平方根的乘积）处于（1~10）×105r/min√kw范围内的电机，其控制性能决定着系统工作效率、运行稳定性、寿命以及可靠性等方面，而控制特性也依赖于电路设计和驱动器中的功率半导体性能，尤其SiC逆变技术的引入使得HSPMSM驱动器的性能有了长足的进步。

本文将介绍由西安理工大学电气工程学院王建渊老师课题组搭建的一款基于IM828-XCC的高速电机驱动器，用于驱动一台额定转速15000r/min，额定功率2.2kW的高速主轴电机，以实现对高速电机的高性能控制，具有高功率密度、高效率和低热耗散等特点。

本项目设计的高速永磁同步电机驱动控制系统需实现的主要功能有：实现电流和电压等信号的采样处理与控制；实现高速永磁同步电机无传感器的转速闭环控制；实现对电机运行状态的速度、定子电流、电压、功率器件工作温度等相关数据的监测，方便电机运行状态的检查与后期维护。

高速永磁同步电机驱动控制系统要求电机起动平稳、速度稳定和可调速范围广，根据高速永磁同步电机的主要参数来设计其驱动控制系统的技术指标要求如下：

1. 驱动器最高输出功率：4kW；
2. 电机速度控制稳态精度：±0.5%；
3. 驱动器保护功能：具备过压、过流、过热等故障诊断及保护功能。

为了充分展示IM828的出色性能和优秀特点，设计了一款4.0kW的驱动器，图2所示为控制板部分，图3所示为功率板部分。

为了验证驱动板的性能，测试了在不同工况下IPM的开关特性对电机运行的影响，通过三相调压器对平台供电，被控电机是意大利YSA公司研制的高速主轴电机，电机具体参数如表1所示。电机控制方式为有速度FOC，如图4所示为IPM的W相桥臂开关管的dv/dt。

表1 高速电机参数

在空载运行条件下分别进行了fs为20kHz和fs为60kHz工况下的性能测试。

根据测试波形可以得到关断时上管的dv/dt为2809V/us，下管的dv/dt为3025V/us。同时也对IPM的导通与关断延时进行了测试，测试结果如图5所示，并对MCU到IPM的驱动信号延时进行测试，测试结果如图6所示。

同时，为了体现IPM_828-CXX在高开关频率下的特性，在开关频率为60kHz下也进行了相关波形采集，如图7-9分别为在fs=60kHz下的W相桥臂开关管关断时的dv/dt、IPM的导通与关断延时、MCU到IPM的驱动信号延时。

电机空载启动，给定转速1000r/min，稳定运行时突加满载TL=1.75N.m，开关频率fs=30kHz，电机的相电流如下图10所示，其中图(a)为空载运行时的电流波形，图(b)为满载运行时的电流波形，可以看出电机在空载情况下运行时，输出电流在0A附近波动；电机在满载情况下运行时，输出电流稳定，实验结果也验证了本课题所设计搭建的实验平台具有良好的驱动性能。

此时IPM中W相桥臂的dv/dt波形如下：

表2 满载时IPM内部W相桥臂MOS管的dv/dt

当电机系统稳定运行15分钟，在环境温度为21℃的条件下，用手持的温度测试仪测得芯片附近的温度为40.6℃。

高速电机驱动控制器尺寸较小，功率较大，如何将热量快速散去也是整体设计的难点之一，根据图11所示得设计原理，考虑到IPM_IM828-XCC的位置，需要在IPM以及整流桥各加装垫块，IPM垫块是为了保证IPM和散热器之间的爬电间距和安全距离。