大功率电机控制器的稳定性优化

毛启赫，郭权利，周玉玲，刘 冬

（1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.吉林电力股份有限公司二道口发电公司，吉林 通化 134000）

近些年，能源环保问题受到广泛关注。因此，产生了电动汽车、电动无人机等清洁能源设备，这些设备都需要大功率电机来驱动，而大功率电机的驱动电流更大，控制系统也因此面临更多干扰。传统电机控制器结构较为简单，稳定性不足，应用于大功率电机时，易因为各种干扰而导致电机无法启动或停转，在实际应用中有很大的安全隐患。因此，大功率电机控制器需要在传统控制器的基础上提升稳定性，使其具有更高的可靠性，保证设备更安全、稳定地运行。

1 故障因素

1.1 信号线引入的干扰

控制器按照功能分为产生驱动信号的控制电路和用于驱动电机的逆变回路两部分。逆变回路中流过的驱动电流大，控制电路中信号电流相对较小，在信号线与驱动线接触较近时，易受到驱动电流的传导干扰而产生振荡，导致主控芯片收到错误的逻辑信号而自锁。此外，控制信号易受到驱动电流的电磁干扰而导致幅值增大，超过控制芯片的电流阈值，从而造成控制芯片和周围的元器件损坏。

1.2 接地系统故障

在控制系统中，模拟地对数字地的干扰普遍存在。对于大功率电机来说，驱动地流过的电流很大，若驱动地与信号地采用公共地，或者在布局时两者相邻，驱动地中的高频信号容易对信号地造成干扰，使各个接地点间存在电位差，引起地环路电流，导致控制系统出现逻辑错误而停止工作。

1.3 逆变回路高温对控制器的影响

针对大电流驱动的特点，流过逆变回路的电流会很大，在晶闸管上产生热量，实测可达到90 ℃以上。一方面晶闸管额定电流有限，难以承载大功率电机额定电流；另一方面由于控制电路集成度高，器件排列紧密，高温容易损坏临近晶闸管的其他器件，也可能超过控制芯片的工作温度范围使芯片自锁。因此，既要对驱动电流进行限制，又要对逆变回路进行有效散热。

1.4 晶闸管的误动作

控制电路输出的电机驱动信号可连接至逆变回路中晶闸管的门极来控制其通断，但流过晶闸管集电极和发射极之间的驱动电流很大，且在电机高速运行时每个晶闸管都在频繁地通断，会出现较大的瞬变电压和电流，易对门极信号造成电磁干扰。一组上、下桥臂的门极信号之间也存在相互干扰。这两种干扰都可能导致门极信号的电压值被抬高，使晶闸管误导通，破坏上、下桥臂之间的推挽结构而造成电机停转。

2 稳定性优化措施

2.1 选择稳定性强的主控芯片

在主控芯片的选取上，应选用体积小、功能强、可靠性高的芯片。考虑到电机运行时会产生高温，主控芯片的最大工作温度应尽可能高，建议在80 ℃以上且应具有内部过热保护电路和过流保护电路，在温度过高或出现大于安全标准的电流时，立即切断电源。

2.2 加装滤波电容

控制芯片使用的电源大多是直流电源。电源中的高频干扰较多，应在控制芯片的电源侧添加滤波电容。滤波电容应该选耐高压、耐高温的瓷片电容，防止出现短路故障时将滤波电容烧毁。在控制电路的输入信号和输出信号端加滤波电容，滤去信号中的高频干扰，保证整个系统的输入信号和输出信号的稳定。

2.3 合理布线和器件布局

布线时，电源线、驱动线、信号线应分开走线。对于受电磁干扰严重的信号线，可以采用双绞线进行差分传输。电源线和驱动线可采用屏蔽线，且离信号线尽可能远，在条件允许的情况下，加设隔离变压器和整流滤波装置，防止对信号线中低电压信号的干扰。应加大流过大电流的过孔和焊盘的尺寸，且避免在此类焊盘附近放置器件，以免焊盘高温对器件造成干扰。整体布局时，控制电路和逆变回路应各自占据电路板的一部分，中间由隔离电路隔开。

2.4 完善接地系统

在PCB 布线和器件布局时，应将信号地与驱动地的接地点分开放置，并保持较小的电位差，若两者是公共地或空间距离较近，可以采用光电隔离等隔离措施，阻断驱动地对信号地的干扰，也可在驱动地上添加磁珠等滤波装置，滤去驱动地产生的高频干扰。

2.5 选用高压快速型驱动芯片

针对门极信号之间的干扰，可以选用电机专用的高压快速型驱动芯片来驱动逆变回路。以双通道的IR2110为例，为了防止一组上、下桥臂互相干扰，其内部带有隔离电路，可以在一组上、下桥臂的门极驱动信号之间实现有效地隔离。在一组桥臂的导通间隙中设置死区时间，保证晶闸管动作的准确性。因此，可以为逆变回路提供更安全、稳定的驱动。

2.6 添加故障报警电路

一个大功率电机的控制器无论是在实验调试还是实际应用中，其报警、纠错、复位的功能都尤为重要，一旦出现故障，若不及时切断电源，很有可能造成重要元器件的损坏。因此，需要这样一个系统：首先要有报警电路，可以检测信号的逻辑错误和电路中是否有过流、过热的情况，并在出现这些故障时立即切断电源；此外，还要有故障锁存和复位电路，方便在出现故障后找出故障原因并能重新启动设备。

2.7 优化逆变回路散热

2.7.1 多晶体管并联

考虑到现有的晶闸管所能承受的最大电流有限，很难承载大功率电机额定电流，在设计逆变回路时，可以采取每个桥臂由多个晶闸管并联的方式。并联的晶闸管可以起到分流的作用，降低流过单个晶闸管的电流，同时也能降低电机运行时每个晶闸管的发热温度。

2.7.2 安装铜排

铜排可以起输送电流和连接电气设备的作用，在电力电子领域应用广泛，适用于高低压电器、开关触头、配电设备等大电流导电，且具有良好的导热性。在大功率电机的逆变回路中安装铜排，可以在电机运行时更稳定地输送大电流，帮助器件散热，具有节省空间、成本低、散热效果好的优点。

3 实验与仿真

本文以基于MC33035 的直流无刷电机控制器为对象进行实验与仿真。MC33035 具有体积小、功能强、可靠性高的特点，其工作温度为-40 ℃～85 ℃，具有欠压锁定和内部过热保护电路，可实现对三相直流无刷电机正反转控制、调速、故障检测等功能。其控制电路如图1所示。

图1 基于MC33035的无刷直流电机控制电路

设计电路时，在基本功能上加入以下抗干扰措施：

1）在3 路霍尔信号输入引脚处并联0.001 μF的滤波电容C2、C3、C4。

2）在直流电源出口处并联耐高压、耐高温的瓷片电容。

3）针对故障检测引脚14 设计了故障指示电路，当出现输入信号的扰动，或者电流检测引脚的输入量超过最大限制时，引脚14 输出低电平，D15亮起时，开关S5可实现错误指示锁存，方便找出故障原因，开关S6可对报警的电路进行复位。

4）设计PCB 时，对各组器件分区布局，将控制电路与逆变回路隔开，且布线时将信号线、电源线、驱动线分区和分层放置，增大大电流处过孔和焊盘的尺寸，接地线加粗，且将数字地和模拟地分开，电源线和驱动线采用屏蔽线，避免对信号线的干扰。

在实验室环境、120°霍尔传感器相位输入、电机正转情况下仿真。3 路霍尔信号输入引脚SA、SB、SC信号波形B、C、D如图2所示。

图2 霍尔输入信号SA、SB、SC波形

3 路顶端输出AT、BT、CT信号波形B、C、D 如图3所示。

图3 顶端输出信号AT、BT、CT波形

MC33035 输出的6 路门极控制信号输入到3个高压悬浮驱动芯片IR2110中，驱动逆变回路的6路桥臂，一个IR2110 芯片驱动一组上、下桥臂。基于IR2110 的自举电路如图4 所示。该电路为单电源供电，上桥臂导通时给自举电容C18充电，充电过程中由自举二极管D1承受输入的24 V 电压，起到阻断作用，并降低C18到低电源电压VCC的反相电荷［5］；下桥臂导通时，C18放电充当自举电源，由于电容的充电和放电不可同时进行，上、下桥臂也不会同时导通。此外，IR2110 将每个导通回路的地线分开，分别为VS端和COM 端，防止共用地线产生的干扰。

图4 基于IR2110的自举电路

在实验室环境下，对一组上、下桥臂的门极驱动信号进行仿真，波形A、B如图5所示。

图5 一组上、下桥臂的门极驱动信号A、B波形

逆变回路输出的三相电机驱动信号可直接驱动电机运行。实验选用无刷直流电机，额定转速为3 000 r/min，逆变回路由24 V 直流电源供电，最大驱动电流为80 A。为了防止逆变回路过热对系统造成影响，本文选用了导通电阻很小的N沟道IRFP4568PBF型MOS管，典型值只有4.8 mΩ，可以减少导通时产生的热量，耐压值为150 V，导通电流的最大值为171 A，符合大功率电机的运行要求。此外，还设计了双晶闸管并联的逆变回路（如图6 所示）和铜排结构（如图7 所示），逆变回路的核心温度控制在了50 ℃左右，在主控芯片的工作温度范围内。

图6 双晶闸管并联的逆变回路

图7 铜排结构

连接上电机后，使其在额定转速下空载运行，三相电机入口电压A、B、C波形如图8所示。

图8 三相电机入口电压A、B、C波形

4 结语

针对大功率电机控制器提出了几种提升稳定性的措施，并以基于MC33035 的电机控制器为对象进行仿真，从仿真波形可以看出，滤波电容滤去了直流电源中的高频干扰，各控制信号的脉冲波形较为稳定，没有受到杂波的干扰。带有负偏压的IR2110 自举电路使晶闸管门极动作准确，避免了误导通。并联晶闸管，安装铜排，设计PCB 和参数有效避免了逆变回路中大电流及其热效应对控制系统的影响，得到稳定的三相电机驱动波形。在实验中，大功率电机可以实现安全、稳定地运行。在实际应用中，还需考虑控制器尺寸、重量以及在复杂环境中的干扰因素，加入软件算法来提升控制系统的鲁棒性，保证设备可以安全、稳定地运行。