胡 鑫，韓 迪，王紀(jì)森，趙宇和

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710072）

永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量小、控制精度高和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)［1］，在火炮隨動系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用于火炮隨動系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)主要由位置控制器、動力電源箱、驅(qū)動器和永磁同步電機(jī)組成，其中驅(qū)動器主要由驅(qū)動控制板和功率器件（通常為IPM模塊或MOSFET 模塊）組成，用于完成從直流到交流的逆變，從而驅(qū)動永磁同步電機(jī)運(yùn)動。大功率的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)在全負(fù)載條件下進(jìn)行電磁兼容試驗時，驅(qū)動器直流母線上的傳導(dǎo)干擾是導(dǎo)致電磁兼容性難以滿足國軍標(biāo)要求的主要原因之一，為了抑制驅(qū)動器直流母線的傳導(dǎo)干擾，通常在驅(qū)動器的直流母線上安裝一個EMI濾波器。目前市場上的EMI濾波器都是在假定源阻抗和負(fù)載阻抗為50Ω 的條件下設(shè)計的，而實際的應(yīng)用場合中，濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗通常不是50Ω，因此會影響濾波器的傳導(dǎo)干擾抑制效果。文獻(xiàn)［2］分析了永磁同步電機(jī)逆變器直流母線上的電流頻譜。文獻(xiàn)［3］給出了理想EMI濾波器的確定原則，提出了實際設(shè)計和選用EMI濾波器時應(yīng)遵循的最大失配原則。文獻(xiàn)［4］設(shè)計了一個用于大功率火炮隨動系統(tǒng)驅(qū)動器中的EMI濾波器并進(jìn)行了試驗，但是該濾波器的濾波效果還不是很理想。為了提高對驅(qū)動器直流母線上傳導(dǎo)干擾的抑制效果，使得某隨動系統(tǒng)驅(qū)動器直流母線上的傳導(dǎo)干擾滿足國軍標(biāo)的要求，筆者深入分析了永磁同步電機(jī)驅(qū)動器直流母線上傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的原因，設(shè)計了一個額定電壓為56V、額定電流為100A 的EMI濾波器，并對所設(shè)計的濾波器進(jìn)行了應(yīng)用試驗，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的EMI濾波器具有很好的傳導(dǎo)干擾抑制效果。

1 驅(qū)動器直流母線傳導(dǎo)干擾分析

傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是指線路相對于大地的干擾，差模干擾是指線路之間的干擾。在傳導(dǎo)干擾中，以電源線傳導(dǎo)干擾最為嚴(yán)重。要抑制驅(qū)動器直流母線上的傳導(dǎo)干擾，首先必須先分析驅(qū)動器直流母線上傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的原因，這就需要分析驅(qū)動器直流母線的連接關(guān)系。某火炮隨動系統(tǒng)采用的交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動器直流母線的連接關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出：直流母線上的傳導(dǎo)干擾主要來自四個方面，一是驅(qū)動器內(nèi)部IPM 模塊高速開關(guān)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾；二是驅(qū)動器內(nèi)部控制電路板上高頻數(shù)字信號輻射的信號耦合到了直流母線上；三是動力電源箱中的傳導(dǎo)干擾經(jīng)過連接電纜傳入直流母線；四是外部的輻射干擾耦合到動力電源箱和驅(qū)動器的連接電纜變成傳導(dǎo)干擾傳入直流母線。由于動力電源箱中的繼電器在上電閉合后，只有到系統(tǒng)斷電時才會斷開，而且連接動力電源箱和驅(qū)動器的電纜進(jìn)行了良好屏蔽，因此來自驅(qū)動器直流母線與動力電源箱連接電纜的傳導(dǎo)干擾較小。驅(qū)動器直流母線上的傳導(dǎo)干擾主要的是由于流過大電流的IPM 模塊在高速開關(guān)時產(chǎn)生的。在火炮隨動系統(tǒng)中，IPM 模塊的開關(guān)頻率通常為10kHz，但I(xiàn)PM的開通和關(guān)斷時間很短（通常不到1μs），因此IPM模塊開關(guān)產(chǎn)生的高次諧波頻率通常為幾兆赫茲。

2 驅(qū)動器直流母線傳導(dǎo)干擾的抑制

2.1 EMI濾波器電路模型設(shè)計

抑制驅(qū)動器直流母線上傳導(dǎo)干擾的主要技術(shù)措施是采用EMI濾波器。為了使得EMI濾波器具有好的濾波效果，需要根據(jù)濾波器的使用環(huán)境有針對性比設(shè)計濾波器的電路和參數(shù)。EMI濾波器主要由電容和電感等無源元件組成，它既要抑制來自外部的干擾，又要防止驅(qū)動器產(chǎn)生的干擾通過直流母線向外輻射，而且要能同時抑制差模干擾和共模干擾。常用的高性能EMI濾波器電路模型如圖2所示［5－8］。

圖2中，Cx為差模電容，Cy為共模電容，L為共模扼流圈，L1和L2為差模扼流圈。

EMI濾波器對干擾噪聲的抑制能力用插入損耗IL（Insertion Loss）來衡量。EMI濾波器的插入損耗與濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗有直接關(guān)系，在設(shè)計EMI濾波器時，必須遵循阻抗最大失配原則，即電路的高阻抗端應(yīng)連接濾波器的低阻抗端，電路的低阻抗端應(yīng)連接濾波器的高阻抗端，這樣使得濾波器具有較大的插入損耗［3］，因此，為了能夠有效的抑制驅(qū)動器直流母線上的傳導(dǎo)干擾，必須考慮EMI濾波器的源端阻抗和負(fù)載端阻抗。

從圖1中可以分析出EMI濾波器的源端阻抗和負(fù)載端阻抗：56V 蓄電池為180Ah的大容量鉛酸蓄電池，通過查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊得知其輸出阻抗不大于8mΩ。3 300μF 的大電容為電解電容，當(dāng)干擾頻率在0.01～10 MHz范圍內(nèi)時，其阻抗范圍25～500mΩ。濾波器的源阻抗為蓄電池的輸出阻抗串聯(lián)蓄電池到動力電源箱的電纜的阻抗，再并聯(lián)4個3 300μF 大電容的阻抗。干擾頻率在0.01～10 MHz范圍內(nèi)時，蓄電池到動力電源箱電纜的阻抗范圍15～162Ω，所以濾波器的源阻抗的范圍是6.2～124mΩ。當(dāng)干擾頻率在0.01～10MHz范圍內(nèi)時，電機(jī)定子繞組的阻抗范圍是41.5～41 500 kΩ，由于IPM 相當(dāng)于是開關(guān)，所以濾波器的負(fù)載阻抗為電機(jī)定子繞組阻抗串聯(lián)驅(qū)動器到電機(jī)的電纜阻抗，再并聯(lián)4個3 300μF大電容的阻抗。干擾頻率在0.01～10 MHz范圍內(nèi)時，驅(qū)動器到電機(jī)的電纜阻抗范圍是23～96Ω，所以濾波器的負(fù)載阻抗范圍是6.3 ～125 mΩ。根據(jù)阻抗失配原則，設(shè)計EMI濾波器的電路模型如圖3所示。

56V／100A EMI濾波器電路的共模等效電路如圖4所示，差模等效電路如圖5所示。

2.2 EMI濾波器電路參數(shù)確定和插入損耗計算

EMI濾波器的一個重要參數(shù)是濾波器的插入損耗。插入損耗定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入濾波器后從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用dB表示。濾波器接入前、后的電路如圖6所示。

濾波器插入損耗的表達(dá)式為：

由圖6可得：

用濾波器的共模等效電路代替圖6中的濾波器，得到共模干擾時：

將式（2）和式（3）代入式（1）得到濾波器的共模插入損耗為：

同理，可以得到濾波器的差模插入損耗為：

根據(jù)式（4）和式（5）可知，電容和電感的值越大，濾波器的插入損耗越大，越有利于濾除干擾。但是，由于濾波器的額定電流為100A，電感的繞制電線較粗，如果電感值太大，則電感的體積會很大，發(fā)熱也會很嚴(yán)重，所以電感值不能取得太大［9］。共模電容一般選擇陶瓷電容，陶瓷電容的容量一般不超過6 800pF。差模電容一般選擇薄膜電容，薄膜電容的容量一般不大于10μF。

取濾波器的共模電感Lcm＝0.01mH，共模電容Cy＝4 700pF，差模電感：Ldm＝0.001mH，差模電容Cx＝1μF。假設(shè)蓄電池的阻抗為Z1，4個3 300 μF的電容并聯(lián)后阻抗為Z2，電機(jī)線圈阻抗為Z3，則由于Z3遠(yuǎn)大于Z2，所以ZL≈Z2，因此由于Z1不大于8 mΩ，Z2的范圍是6.25～125mΩ，所以的范圍是0.06～0.56，為了便于計算，濾波器的最小插入損耗取

根據(jù)式（4）和式（5）計算出濾波器的插入損耗如表1所示。

表1 濾波器的插入損耗

3 試驗

將所設(shè)計的額定電壓為56V，額定電流為100 A 的EMI濾波器安裝在某交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動器的直流母線上，驅(qū)動器在全負(fù)載工作狀態(tài)下進(jìn)行了電磁兼容試驗。濾波器安裝前直流母線的CE102測試曲線如圖7所示。濾波器安裝后直流母線的CE102測試曲線如圖8所示。

從圖7和圖8的測試曲線可以看出：安裝設(shè)計的濾波器后，頻率在1.637 MHz處滿足了國軍標(biāo)的要求，并且留有了8dB 左右的余量，3～5 MHz范圍內(nèi)的余量也有所增加，說明所設(shè)計的濾波器具有明顯抑制干擾的效果。

4 結(jié)束語

針對大功率永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)在全負(fù)載條件下，驅(qū)動器直流母線上的傳導(dǎo)干擾難以滿足國軍標(biāo)要求的問題，分析了驅(qū)動器直流母線上傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的原因，設(shè)計了用于濾除直流母線傳導(dǎo)干擾的濾波器。將該濾波器應(yīng)用于某交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動器的直流母線上，進(jìn)行了電磁兼容試驗，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的濾波器有效抑制了傳導(dǎo)干擾，使得驅(qū)動器直流母線的傳導(dǎo)干擾滿足了國軍標(biāo)的要求。

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