永磁同步电机驱动器直流母线传导干扰分析与抑制

胡 鑫，韩 迪，王纪森，赵宇和

（1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072）

永磁同步电机交流伺服系统具有体积小、质量小、控制精度高和维护简单等优点［1］，在火炮随动系统中获得了广泛的应用。应用于火炮随动系统中的永磁同步电机交流伺服系统主要由位置控制器、动力电源箱、驱动器和永磁同步电机组成，其中驱动器主要由驱动控制板和功率器件（通常为IPM模块或MOSFET 模块）组成，用于完成从直流到交流的逆变，从而驱动永磁同步电机运动。大功率的永磁同步电机交流伺服系统在全负载条件下进行电磁兼容试验时，驱动器直流母线上的传导干扰是导致电磁兼容性难以满足国军标要求的主要原因之一，为了抑制驱动器直流母线的传导干扰，通常在驱动器的直流母线上安装一个EMI滤波器。目前市场上的EMI滤波器都是在假定源阻抗和负载阻抗为50Ω 的条件下设计的，而实际的应用场合中，滤波器的源阻抗和负载阻抗通常不是50Ω，因此会影响滤波器的传导干扰抑制效果。文献［2］分析了永磁同步电机逆变器直流母线上的电流频谱。文献［3］给出了理想EMI滤波器的确定原则，提出了实际设计和选用EMI滤波器时应遵循的最大失配原则。文献［4］设计了一个用于大功率火炮随动系统驱动器中的EMI滤波器并进行了试验，但是该滤波器的滤波效果还不是很理想。为了提高对驱动器直流母线上传导干扰的抑制效果，使得某随动系统驱动器直流母线上的传导干扰满足国军标的要求，笔者深入分析了永磁同步电机驱动器直流母线上传导干扰产生的原因，设计了一个额定电压为56V、额定电流为100A 的EMI滤波器，并对所设计的滤波器进行了应用试验，试验结果表明所设计的EMI滤波器具有很好的传导干扰抑制效果。

1 驱动器直流母线传导干扰分析

传导干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是指线路相对于大地的干扰，差模干扰是指线路之间的干扰。在传导干扰中，以电源线传导干扰最为严重。要抑制驱动器直流母线上的传导干扰，首先必须先分析驱动器直流母线上传导干扰产生的原因，这就需要分析驱动器直流母线的连接关系。某火炮随动系统采用的交流永磁同步电机驱动器直流母线的连接关系如图1所示。

从图1可以看出：直流母线上的传导干扰主要来自四个方面，一是驱动器内部IPM 模块高速开关产生的传导干扰；二是驱动器内部控制电路板上高频数字信号辐射的信号耦合到了直流母线上；三是动力电源箱中的传导干扰经过连接电缆传入直流母线；四是外部的辐射干扰耦合到动力电源箱和驱动器的连接电缆变成传导干扰传入直流母线。由于动力电源箱中的继电器在上电闭合后，只有到系统断电时才会断开，而且连接动力电源箱和驱动器的电缆进行了良好屏蔽，因此来自驱动器直流母线与动力电源箱连接电缆的传导干扰较小。驱动器直流母线上的传导干扰主要的是由于流过大电流的IPM 模块在高速开关时产生的。在火炮随动系统中，IPM 模块的开关频率通常为10kHz，但IPM的开通和关断时间很短（通常不到1μs），因此IPM模块开关产生的高次谐波频率通常为几兆赫兹。

2 驱动器直流母线传导干扰的抑制

2.1 EMI滤波器电路模型设计

抑制驱动器直流母线上传导干扰的主要技术措施是采用EMI滤波器。为了使得EMI滤波器具有好的滤波效果，需要根据滤波器的使用环境有针对性比设计滤波器的电路和参数。EMI滤波器主要由电容和电感等无源元件组成，它既要抑制来自外部的干扰，又要防止驱动器产生的干扰通过直流母线向外辐射，而且要能同时抑制差模干扰和共模干扰。常用的高性能EMI滤波器电路模型如图2所示［5－8］。

图2中，Cx为差模电容，Cy为共模电容，L为共模扼流圈，L1和L2为差模扼流圈。

EMI滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL（Insertion Loss）来衡量。EMI滤波器的插入损耗与滤波器的源阻抗和负载阻抗有直接关系，在设计EMI滤波器时，必须遵循阻抗最大失配原则，即电路的高阻抗端应连接滤波器的低阻抗端，电路的低阻抗端应连接滤波器的高阻抗端，这样使得滤波器具有较大的插入损耗［3］，因此，为了能够有效的抑制驱动器直流母线上的传导干扰，必须考虑EMI滤波器的源端阻抗和负载端阻抗。

从图1中可以分析出EMI滤波器的源端阻抗和负载端阻抗：56V 蓄电池为180Ah的大容量铅酸蓄电池，通过查阅产品数据手册得知其输出阻抗不大于8mΩ。3 300μF 的大电容为电解电容，当干扰频率在0.01～10 MHz范围内时，其阻抗范围25～500mΩ。滤波器的源阻抗为蓄电池的输出阻抗串联蓄电池到动力电源箱的电缆的阻抗，再并联4个3 300μF 大电容的阻抗。干扰频率在0.01～10 MHz范围内时，蓄电池到动力电源箱电缆的阻抗范围15～162Ω，所以滤波器的源阻抗的范围是6.2～124mΩ。当干扰频率在0.01～10MHz范围内时，电机定子绕组的阻抗范围是41.5～41 500 kΩ，由于IPM 相当于是开关，所以滤波器的负载阻抗为电机定子绕组阻抗串联驱动器到电机的电缆阻抗，再并联4个3 300μF大电容的阻抗。干扰频率在0.01～10 MHz范围内时，驱动器到电机的电缆阻抗范围是23～96Ω，所以滤波器的负载阻抗范围是6.3 ～125 mΩ。根据阻抗失配原则，设计EMI滤波器的电路模型如图3所示。

56V／100A EMI滤波器电路的共模等效电路如图4所示，差模等效电路如图5所示。

2.2 EMI滤波器电路参数确定和插入损耗计算

EMI滤波器的一个重要参数是滤波器的插入损耗。插入损耗定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB表示。滤波器接入前、后的电路如图6所示。

滤波器插入损耗的表达式为：

由图6可得：

用滤波器的共模等效电路代替图6中的滤波器，得到共模干扰时：

将式（2）和式（3）代入式（1）得到滤波器的共模插入损耗为：

同理，可以得到滤波器的差模插入损耗为：

根据式（4）和式（5）可知，电容和电感的值越大，滤波器的插入损耗越大，越有利于滤除干扰。但是，由于滤波器的额定电流为100A，电感的绕制电线较粗，如果电感值太大，则电感的体积会很大，发热也会很严重，所以电感值不能取得太大［9］。共模电容一般选择陶瓷电容，陶瓷电容的容量一般不超过6 800pF。差模电容一般选择薄膜电容，薄膜电容的容量一般不大于10μF。

取滤波器的共模电感Lcm＝0.01mH，共模电容Cy＝4 700pF，差模电感：Ldm＝0.001mH，差模电容Cx＝1μF。假设蓄电池的阻抗为Z1，4个3 300 μF的电容并联后阻抗为Z2，电机线圈阻抗为Z3，则由于Z3远大于Z2，所以ZL≈Z2，因此由于Z1不大于8 mΩ，Z2的范围是6.25～125mΩ，所以的范围是0.06～0.56，为了便于计算，滤波器的最小插入损耗取

根据式（4）和式（5）计算出滤波器的插入损耗如表1所示。

表1 滤波器的插入损耗

3 试验

将所设计的额定电压为56V，额定电流为100 A 的EMI滤波器安装在某交流永磁同步电机驱动器的直流母线上，驱动器在全负载工作状态下进行了电磁兼容试验。滤波器安装前直流母线的CE102测试曲线如图7所示。滤波器安装后直流母线的CE102测试曲线如图8所示。

从图7和图8的测试曲线可以看出：安装设计的滤波器后，频率在1.637 MHz处满足了国军标的要求，并且留有了8dB 左右的余量，3～5 MHz范围内的余量也有所增加，说明所设计的滤波器具有明显抑制干扰的效果。

4 结束语

针对大功率永磁同步电机交流伺服系统在全负载条件下，驱动器直流母线上的传导干扰难以满足国军标要求的问题，分析了驱动器直流母线上传导干扰产生的原因，设计了用于滤除直流母线传导干扰的滤波器。将该滤波器应用于某交流永磁同步电机驱动器的直流母线上，进行了电磁兼容试验，试验结果表明所设计的滤波器有效抑制了传导干扰，使得驱动器直流母线的传导干扰满足了国军标的要求。

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