大功率電機(jī)控制器的穩(wěn)定性優(yōu)化

毛啟赫，郭權(quán)利，周玉玲，劉 冬

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.吉林電力股份有限公司二道口發(fā)電公司，吉林 通化 134000）

近些年，能源環(huán)保問題受到廣泛關(guān)注。因此，產(chǎn)生了電動(dòng)汽車、電動(dòng)無人機(jī)等清潔能源設(shè)備，這些設(shè)備都需要大功率電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，而大功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流更大，控制系統(tǒng)也因此面臨更多干擾。傳統(tǒng)電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性不足，應(yīng)用于大功率電機(jī)時(shí)，易因?yàn)楦鞣N干擾而導(dǎo)致電機(jī)無法啟動(dòng)或停轉(zhuǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的安全隱患。因此，大功率電機(jī)控制器需要在傳統(tǒng)控制器的基礎(chǔ)上提升穩(wěn)定性，使其具有更高的可靠性，保證設(shè)備更安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 故障因素

1.1 信號(hào)線引入的干擾

控制器按照功能分為產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制電路和用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變回路兩部分。逆變回路中流過的驅(qū)動(dòng)電流大，控制電路中信號(hào)電流相對(duì)較小，在信號(hào)線與驅(qū)動(dòng)線接觸較近時(shí)，易受到驅(qū)動(dòng)電流的傳導(dǎo)干擾而產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致主控芯片收到錯(cuò)誤的邏輯信號(hào)而自鎖。此外，控制信號(hào)易受到驅(qū)動(dòng)電流的電磁干擾而導(dǎo)致幅值增大，超過控制芯片的電流閾值，從而造成控制芯片和周圍的元器件損壞。

1.2 接地系統(tǒng)故障

在控制系統(tǒng)中，模擬地對(duì)數(shù)字地的干擾普遍存在。對(duì)于大功率電機(jī)來說，驅(qū)動(dòng)地流過的電流很大，若驅(qū)動(dòng)地與信號(hào)地采用公共地，或者在布局時(shí)兩者相鄰，驅(qū)動(dòng)地中的高頻信號(hào)容易對(duì)信號(hào)地造成干擾，使各個(gè)接地點(diǎn)間存在電位差，引起地環(huán)路電流，導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤而停止工作。

1.3 逆變回路高溫對(duì)控制器的影響

針對(duì)大電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，流過逆變回路的電流會(huì)很大，在晶閘管上產(chǎn)生熱量，實(shí)測(cè)可達(dá)到90 ℃以上。一方面晶閘管額定電流有限，難以承載大功率電機(jī)額定電流；另一方面由于控制電路集成度高，器件排列緊密，高溫容易損壞臨近晶閘管的其他器件，也可能超過控制芯片的工作溫度范圍使芯片自鎖。因此，既要對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行限制，又要對(duì)逆變回路進(jìn)行有效散熱。

1.4 晶閘管的誤動(dòng)作

控制電路輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)可連接至逆變回路中晶閘管的門極來控制其通斷，但流過晶閘管集電極和發(fā)射極之間的驅(qū)動(dòng)電流很大，且在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)每個(gè)晶閘管都在頻繁地通斷，會(huì)出現(xiàn)較大的瞬變電壓和電流，易對(duì)門極信號(hào)造成電磁干擾。一組上、下橋臂的門極信號(hào)之間也存在相互干擾。這兩種干擾都可能導(dǎo)致門極信號(hào)的電壓值被抬高，使晶閘管誤導(dǎo)通，破壞上、下橋臂之間的推挽結(jié)構(gòu)而造成電機(jī)停轉(zhuǎn)。

2 穩(wěn)定性優(yōu)化措施

2.1 選擇穩(wěn)定性強(qiáng)的主控芯片

在主控芯片的選取上，應(yīng)選用體積小、功能強(qiáng)、可靠性高的芯片?？紤]到電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，主控芯片的最大工作溫度應(yīng)盡可能高，建議在80 ℃以上且應(yīng)具有內(nèi)部過熱保護(hù)電路和過流保護(hù)電路，在溫度過高或出現(xiàn)大于安全標(biāo)準(zhǔn)的電流時(shí)，立即切斷電源。

2.2 加裝濾波電容

控制芯片使用的電源大多是直流電源。電源中的高頻干擾較多，應(yīng)在控制芯片的電源側(cè)添加濾波電容。濾波電容應(yīng)該選耐高壓、耐高溫的瓷片電容，防止出現(xiàn)短路故障時(shí)將濾波電容燒毀。在控制電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)端加濾波電容，濾去信號(hào)中的高頻干擾，保證整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的穩(wěn)定。

2.3 合理布線和器件布局

布線時(shí)，電源線、驅(qū)動(dòng)線、信號(hào)線應(yīng)分開走線。對(duì)于受電磁干擾嚴(yán)重的信號(hào)線，可以采用雙絞線進(jìn)行差分傳輸。電源線和驅(qū)動(dòng)線可采用屏蔽線，且離信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)，在條件允許的情況下，加設(shè)隔離變壓器和整流濾波裝置，防止對(duì)信號(hào)線中低電壓信號(hào)的干擾。應(yīng)加大流過大電流的過孔和焊盤的尺寸，且避免在此類焊盤附近放置器件，以免焊盤高溫對(duì)器件造成干擾。整體布局時(shí)，控制電路和逆變回路應(yīng)各自占據(jù)電路板的一部分，中間由隔離電路隔開。

2.4 完善接地系統(tǒng)

在PCB 布線和器件布局時(shí)，應(yīng)將信號(hào)地與驅(qū)動(dòng)地的接地點(diǎn)分開放置，并保持較小的電位差，若兩者是公共地或空間距離較近，可以采用光電隔離等隔離措施，阻斷驅(qū)動(dòng)地對(duì)信號(hào)地的干擾，也可在驅(qū)動(dòng)地上添加磁珠等濾波裝置，濾去驅(qū)動(dòng)地產(chǎn)生的高頻干擾。

2.5 選用高壓快速型驅(qū)動(dòng)芯片

針對(duì)門極信號(hào)之間的干擾，可以選用電機(jī)專用的高壓快速型驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)逆變回路。以雙通道的IR2110為例，為了防止一組上、下橋臂互相干擾，其內(nèi)部帶有隔離電路，可以在一組上、下橋臂的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)有效地隔離。在一組橋臂的導(dǎo)通間隙中設(shè)置死區(qū)時(shí)間，保證晶閘管動(dòng)作的準(zhǔn)確性。因此，可以為逆變回路提供更安全、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)。

2.6 添加故障報(bào)警電路

一個(gè)大功率電機(jī)的控制器無論是在實(shí)驗(yàn)調(diào)試還是實(shí)際應(yīng)用中，其報(bào)警、糾錯(cuò)、復(fù)位的功能都尤為重要，一旦出現(xiàn)故障，若不及時(shí)切斷電源，很有可能造成重要元器件的損壞。因此，需要這樣一個(gè)系統(tǒng)：首先要有報(bào)警電路，可以檢測(cè)信號(hào)的邏輯錯(cuò)誤和電路中是否有過流、過熱的情況，并在出現(xiàn)這些故障時(shí)立即切斷電源；此外，還要有故障鎖存和復(fù)位電路，方便在出現(xiàn)故障后找出故障原因并能重新啟動(dòng)設(shè)備。

2.7 優(yōu)化逆變回路散熱

2.7.1 多晶體管并聯(lián)

考慮到現(xiàn)有的晶閘管所能承受的最大電流有限，很難承載大功率電機(jī)額定電流，在設(shè)計(jì)逆變回路時(shí)，可以采取每個(gè)橋臂由多個(gè)晶閘管并聯(lián)的方式。并聯(lián)的晶閘管可以起到分流的作用，降低流過單個(gè)晶閘管的電流，同時(shí)也能降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)每個(gè)晶閘管的發(fā)熱溫度。

2.7.2 安裝銅排

銅排可以起輸送電流和連接電氣設(shè)備的作用，在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，適用于高低壓電器、開關(guān)觸頭、配電設(shè)備等大電流導(dǎo)電，且具有良好的導(dǎo)熱性。在大功率電機(jī)的逆變回路中安裝銅排，可以在電機(jī)運(yùn)行時(shí)更穩(wěn)定地輸送大電流，幫助器件散熱，具有節(jié)省空間、成本低、散熱效果好的優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

本文以基于MC33035 的直流無刷電機(jī)控制器為對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與仿真。MC33035 具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，其工作溫度為-40 ℃～85 ℃，具有欠壓鎖定和內(nèi)部過熱保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相直流無刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速、故障檢測(cè)等功能。其控制電路如圖1所示。

圖1 基于MC33035的無刷直流電機(jī)控制電路

設(shè)計(jì)電路時(shí)，在基本功能上加入以下抗干擾措施：

1）在3 路霍爾信號(hào)輸入引腳處并聯(lián)0.001 μF的濾波電容C2、C3、C4。

2）在直流電源出口處并聯(lián)耐高壓、耐高溫的瓷片電容。

3）針對(duì)故障檢測(cè)引腳14 設(shè)計(jì)了故障指示電路，當(dāng)出現(xiàn)輸入信號(hào)的擾動(dòng)，或者電流檢測(cè)引腳的輸入量超過最大限制時(shí)，引腳14 輸出低電平，D15亮起時(shí)，開關(guān)S5可實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤指示鎖存，方便找出故障原因，開關(guān)S6可對(duì)報(bào)警的電路進(jìn)行復(fù)位。

4）設(shè)計(jì)PCB 時(shí)，對(duì)各組器件分區(qū)布局，將控制電路與逆變回路隔開，且布線時(shí)將信號(hào)線、電源線、驅(qū)動(dòng)線分區(qū)和分層放置，增大大電流處過孔和焊盤的尺寸，接地線加粗，且將數(shù)字地和模擬地分開，電源線和驅(qū)動(dòng)線采用屏蔽線，避免對(duì)信號(hào)線的干擾。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、120°霍爾傳感器相位輸入、電機(jī)正轉(zhuǎn)情況下仿真。3 路霍爾信號(hào)輸入引腳SA、SB、SC信號(hào)波形B、C、D如圖2所示。

圖2 霍爾輸入信號(hào)SA、SB、SC波形

3 路頂端輸出AT、BT、CT信號(hào)波形B、C、D 如圖3所示。

圖3 頂端輸出信號(hào)AT、BT、CT波形

MC33035 輸出的6 路門極控制信號(hào)輸入到3個(gè)高壓懸浮驅(qū)動(dòng)芯片IR2110中，驅(qū)動(dòng)逆變回路的6路橋臂，一個(gè)IR2110 芯片驅(qū)動(dòng)一組上、下橋臂?；贗R2110 的自舉電路如圖4 所示。該電路為單電源供電，上橋臂導(dǎo)通時(shí)給自舉電容C18充電，充電過程中由自舉二極管D1承受輸入的24 V 電壓，起到阻斷作用，并降低C18到低電源電壓VCC的反相電荷［5］；下橋臂導(dǎo)通時(shí)，C18放電充當(dāng)自舉電源，由于電容的充電和放電不可同時(shí)進(jìn)行，上、下橋臂也不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。此外，IR2110 將每個(gè)導(dǎo)通回路的地線分開，分別為VS端和COM 端，防止共用地線產(chǎn)生的干擾。

圖4 基于IR2110的自舉電路

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)一組上、下橋臂的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行仿真，波形A、B如圖5所示。

圖5 一組上、下橋臂的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)A、B波形

逆變回路輸出的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)選用無刷直流電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，逆變回路由24 V 直流電源供電，最大驅(qū)動(dòng)電流為80 A。為了防止逆變回路過熱對(duì)系統(tǒng)造成影響，本文選用了導(dǎo)通電阻很小的N溝道IRFP4568PBF型MOS管，典型值只有4.8 mΩ，可以減少導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的熱量，耐壓值為150 V，導(dǎo)通電流的最大值為171 A，符合大功率電機(jī)的運(yùn)行要求。此外，還設(shè)計(jì)了雙晶閘管并聯(lián)的逆變回路（如圖6 所示）和銅排結(jié)構(gòu)（如圖7 所示），逆變回路的核心溫度控制在了50 ℃左右，在主控芯片的工作溫度范圍內(nèi)。

圖6 雙晶閘管并聯(lián)的逆變回路

圖7 銅排結(jié)構(gòu)

連接上電機(jī)后，使其在額定轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行，三相電機(jī)入口電壓A、B、C波形如圖8所示。

圖8 三相電機(jī)入口電壓A、B、C波形

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大功率電機(jī)控制器提出了幾種提升穩(wěn)定性的措施，并以基于MC33035 的電機(jī)控制器為對(duì)象進(jìn)行仿真，從仿真波形可以看出，濾波電容濾去了直流電源中的高頻干擾，各控制信號(hào)的脈沖波形較為穩(wěn)定，沒有受到雜波的干擾。帶有負(fù)偏壓的IR2110 自舉電路使晶閘管門極動(dòng)作準(zhǔn)確，避免了誤導(dǎo)通。并聯(lián)晶閘管，安裝銅排，設(shè)計(jì)PCB 和參數(shù)有效避免了逆變回路中大電流及其熱效應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，得到穩(wěn)定的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形。在實(shí)驗(yàn)中，大功率電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，還需考慮控制器尺寸、重量以及在復(fù)雜環(huán)境中的干擾因素，加入軟件算法來提升控制系統(tǒng)的魯棒性，保證設(shè)備可以安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。