孫 超，陳恒林

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

伺服驅動器主要包含電源模塊、驅動模塊、逆變模塊等。伺服驅動器采用的主要控制方式為脈寬調制(pulse width modulation，PWM)，雖然提高了驅動系統(tǒng)的工作效率，但同時也會引發(fā)嚴重的電磁干擾問題[1-3]。

目前，針對驅動器高壓和低壓之間干擾耦合問題的研究并不多。文獻[4-6]提出了伺服驅動系統(tǒng)電機建模方法，但沒有關注驅動器高低壓耦合問題和干擾的抑制；文獻[7]提出了變頻器傳導干擾的差模和共模高頻模型，但沒有分析變頻器干擾對低壓輔助電源線的影響；文獻[8]對輔助電源高頻模型進行了建模，但沒有分析具體干擾成分和抑制措施。通常工業(yè)上采用濾波技術、屏蔽技術和改善控制策略來抑制傳導干擾[9-11]，但是并沒有針對伺服驅動系統(tǒng)中低壓輔助電源干擾的抑制方法。

針對以上情況，本文將以通用伺服驅動系統(tǒng)為研究對象，建立伺服驅動器的高頻共模電路模型，提出一條新的干擾傳播路徑，通過一系列測試證明模型的準確性。

1 伺服驅動系統(tǒng)

本文采用的伺服驅動系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 伺服驅動系統(tǒng)

伺服驅動系統(tǒng)主要包含高壓大電源、低壓輔助電源、驅動器、電機、上位機PC等幾部分。其中，伺服驅動器中存在兩套獨立的電源系統(tǒng)：高壓大電源和低壓輔助電源。高壓電通過驅動器中的逆變橋給電機供電，低壓電通過驅動器中的開關電源給驅動電路、控制電路、其他敏感設備供電。高壓側的開關器件進行高頻開關動作產生的干擾會耦合到低壓電源線上，進而影響到系統(tǒng)中的敏感設備。

2 伺服驅動器高壓側對低壓輔助電源干擾傳播路徑

為分析伺服驅動器中低壓輔助電源線上的干擾，首先需要確定干擾傳播回路。高頻開關管是整個系統(tǒng)的干擾源，干擾可以從多條路徑傳播至輔助電源處，如圖2所示。

圖2 驅動器低壓電源干擾耦合途徑

通常認為高壓側的干擾耦合到低壓側存在以下3條干擾傳播路徑：(1)干擾源通過IGBT模塊與散熱片之間的寄生電容將干擾傳播至參考地，再傳到輔助電源；(2)干擾源通過電機線纜對地的寄生電容將干擾傳播至輔助電源；(3)干擾源通過電機機殼對地寄生電容將干擾傳播至輔助電源。

本文建立了驅動器共模電路模型，在模型中提出了一條新的干擾傳播主要回路，如圖3所示。

圖3 驅動器低壓線干擾傳播主要回路

由圖3可以看出：驅動器中IGBT上管的開關電源副邊地線直接接到了逆變橋上、下橋臂的中點，驅動器下管IGBT的開關電源副邊地線直接接到了逆變電路的負線。因此，高壓側的干擾會通過開關電源副邊地線傳導至開關電源處，并經由開關電源變壓器原副邊之間的寄生電容傳導耦合至低壓輔助電源線上，干擾會經過LISN進入大地，再通過高壓大電源線纜對地的寄生參數(shù)回到逆變電路的正、負高壓線上，從而構成了完整的干擾主要傳播回路。

3 伺服驅動系統(tǒng)EMI測試

為驗證圖3中的干擾傳播主要回路，本文針對伺服驅動系統(tǒng)做了實驗測試，如表1所示。

電機和驅動器分別處于不同接地條件時，實驗(1～4)對低壓輔助電源線上的EMI進行測試；實驗5對電機線纜在驅動器輸出側和電機輸入側處進行共模電流的測試。

表1 設備不同接地情況

實驗(1～4)中，改變電機機殼和驅動器機殼的接地狀態(tài)，實質是改變了干擾回路中存在的高頻阻抗，當殼體不接地時，對應包含該殼體的回路阻抗會增大，如果干擾傳播通過了這一殼體，實測的EMI結果應該會減??；反之，干擾傳播未通過這一殼體，干擾大小不會有明顯變化或者是反而變大。

實驗結果如圖4所示。

圖4 實驗結果

從實驗1和實驗2的結果對比可以看到：驅動器殼體浮地，增大了圖2中回路I的阻抗，但是EMI測試結果并沒有減小而是增大了，因此回路Ⅰ并不是干擾傳播的主要回路；

從實驗1和實驗3的結果可以看到：電機機殼浮地，增大了圖2中回路Ⅲ的阻抗，兩次實驗測得的EMI大小無明顯變化，因此回路Ⅲ也不是干擾傳播的主要回路；

從如圖4(c)所示的中共模電流的測試結果可以得到：驅動器輸出側共模電流和電機進線側共模電流基本一致，并沒有共模電流通過圖2中的回路Ⅱ進行傳播，因此回路II不是干擾傳播的主要回路。而實驗2中驅動器機殼浮地，干擾增大的現(xiàn)象是因為驅動器和電機之間存在干擾耦合的回路，增大驅動器殼體對地的阻抗，等效于增大了驅動器和電機之間阻抗，本應在該回路中傳播的干擾通過驅動器中的開關電源耦合到了低壓輔助電源線上。

因此，根據(jù)以上實驗測試結果，可以確認圖3提出的干擾傳播路徑是最為主要的。

4 伺服驅動器高頻共模電路模型

基于干擾傳播回路的分析，本文建立了伺服驅動系統(tǒng)低壓輔助電源共模電路模型，如圖5所示。

圖5 共模電路模型O點—等效高壓正負線；M點—等效低壓輔助電源正負線；N點—等效驅動器IGBT上下橋臂中點；G點—等效伺服驅動器機殼即大地；Z1—伺服驅動系統(tǒng)驅動器三相輸出側中點N和高壓線中點O之間的阻抗；Z2—三相輸出側中點N和低壓線中點M之間的阻抗，主要是逆變橋臂上三管IGBT驅動電路中開關電源的等效阻抗(3個DC/DC并聯(lián))；Z3—高壓線中點O和低壓線中點M之間的阻抗，主要是逆變橋臂下三管IGBT驅動電路中開關電源的等效阻抗(單個DC/DC)；Z4—三相輸出側中點N對散熱片的阻抗；Z5—LISN上的標準電阻，由于是共模等效模型，取值即為25 Ω

模型中每個阻抗參數(shù)的物理意義如表2所示。

表2 參數(shù)說明

5 伺服驅動器低壓輔助電源線干擾的抑制

根據(jù)共模電路的模型，可以有針對性地對回路中關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，以此起到EMI的抑制效果。本文主要采用了開關電源變壓器優(yōu)化和濾波器設計的綜合抑制手段，對低壓線上的干擾進行抑制。

在開關電源變壓器中，原邊和副邊的地之間存在3 300 pF的Y電容，起抑制自身MOSFET產生的共模電流的作用。然而在整個伺服驅動系統(tǒng)中，該電容成為了干擾傳播路徑上的關鍵參數(shù)之一，因此在保證電源正常工作的前提下，去掉了該Y電容。變壓器原副邊之間沒有Y電容之后，高頻下原副邊之間的阻抗會增大，從而對低壓輔助電源EMI起到抑制效果。

在對變壓器進行優(yōu)化之后，可以在圖5的O點處或者M點處增加濾波電路。本文在低壓輔助電源線上增加了一個簡單的濾波電路，主要包含一個2 mH的差模電感，一個10 μF的X電容和8 mH的共模電感。電路拓撲如圖6所示。

圖6 濾波電路拓撲

由于優(yōu)化變壓器已經能給伺服驅動系統(tǒng)EMI帶來較好的改善，新增的濾波電路可以達到低成本和小體積的目的。

6 實驗驗證

6.1 共模電路模型的驗證

本研究在Matlab中，對伺服驅動器共模電路模型進行仿真，可以得到LISN的時域下共模電壓，對該電壓做FFT變換，得到共模電壓頻譜，將實測頻譜包絡線和仿真頻譜包絡線進行比較，比較結果如圖7所示。

圖7 低壓輔助電源線共模電壓的測試和仿真結果

由圖7可以看出：仿真結果和測試結果吻合的很好，所建立的共模電路模型是較為準確的。

6.2 低壓輔助電源線干擾抑制效果

本研究將開關電源中的Y電容去掉，對低壓輔助電源線上的EMI進行測試，測試結果如圖8所示。

圖8 變壓器優(yōu)化后干擾抑制效果

去掉變壓器中的Y電容后可以看到，干擾明顯下降，在100 kHz頻段附近的干擾下降了近20 dBuV。再將設計的濾波器接入低壓輔助電源線上，可以看到，經過綜合抑制手段之后，干擾在10 kHz～10 MHz頻段范圍內被抑制到60 dBμV以內，如圖9所示。

圖9 綜合抑制后效果對比

7 結束語

本文對伺服驅動器高壓側和低壓側之間干擾問題進行了研究分析，在Matlab仿真軟件中建立了準確的驅動器高低壓線耦合回路的共模等效電路模型，在模型中提出了新的干擾傳播路徑，并通過機殼接地實驗驗證了干擾傳播路徑和共模電路模型；基于電路模型，筆者對干擾回路中的關鍵參數(shù)進行分析，并針對關鍵的變壓器進行了優(yōu)化設計。

通過實驗證明：干擾回路優(yōu)化配合濾波器的綜合抑制手段有很好的干擾抑制效果，在400 kHz以下頻段干擾電壓下降40 dBμV，高于400 kHz頻段干擾下降也達20 dBμV。

因此，本文提出的共模模型可以作為伺服驅動器設計系統(tǒng)EMC問題的參考，變壓器優(yōu)化手段也可以應用在同類產品上。