永磁交流伺服驱动系统共模EMI噪声的预测及抑制

余伟，王世山，虞振洋，周峰

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京210016)

永磁交流伺服驱动系统共模EMI噪声的预测及抑制

余伟，王世山，虞振洋，周峰

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京210016)

永磁交流伺服驱动系统中高du/dt、di/dt在系统中寄生参数作用下感应出的电磁干扰，随着开关频率的不断提高，已逐渐影响到其在高精密场合下的可靠运行。电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)模型的研究，是电磁干扰分析、预测及其抑制的基础。本文研究出一种永磁交流伺服驱动系统共模EMI噪声的预估方案:针对典型系统中的智能功率模块(IPM)装置，通过分析开关管状态切换过程中IPM桥臂中点电位的跳变，等效出共模噪声源模型;在阐述共模干扰传播路径的基础上，利用不同方法提取了传播通道中所涉及的各主要部件(变流器、屏蔽线缆及永磁同步电机)的高频参数;在150kHz～30MHz频段内，对其共模EMI噪声进行了实际测量，与仿真结果的对比验证了本文所建模型的正确性。根据样机实测EMI噪声，对于超出电磁兼容标准部分，提出了通过设计平面EMI滤波器滤除的方案，最终通过实验对该新型滤波器噪声抑制效果的有效性进行了验证。

永磁交流伺服驱动系统;共模干扰源;参数提取;共模干扰模型;平面EMI滤波器

1 引言

永磁同步电动机以其功率因数高、动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点，正被广泛地应用在交流伺服驱动系统中，构成永磁交流伺服驱动系统［1］。对于该类系统的EMI研究，有学者从EMI三要素入手［2，3］，定性地给出了抑制系统EMI的措施，但由于缺少模型分析，理论深度显得较浅。探索系统共模EMI模型，预测共模EMI噪声，从而减少产品设计周期和花费，将学术理论和产品研发结合，是另一个研究方向。如采用三相电路表征永磁同步电机和交流电缆的差共模特性［4］，展开对系统EMI的分析，该方法准确有效地预测出实际系统EMI发射强度，但模型所适用最高频率仅为10MHz，实际系统传导干扰的高频段噪声无法通过模型获得;在传导干扰全频段(150kHz～30MHz)，通过测量法和数值分析法提取永磁交流伺服驱动系统中主要部件的参数，采用频域分析进行系统共模EMI模型探索及噪声预测［5］，该方法比较容易得到系统EMI噪声频谱分布，但模型的电路意义却不够直观。

通常采用交流侧EMI滤波器对变流器传导EMI噪声进行抑制［6］。文献［7］设计了传统的无源EMI滤波器，对Boost功率因数校正变换器中的传导EMI噪声进行了抑制。该类EMI滤波器元件数量多、体积大及各组成模块寄生特性作用，影响了其滤波性能，同时也不利于电力电子变换装置向小型化、集成化发展。近几年来，有学者将平面磁集成技术应用于EMI滤波器中，构成平面EMI滤波器，在实现模块化和小型化的同时，依然能够保持阻断EMI耦合路径的有效性，这已成为发展新型EMI滤波器的重要方向之一［8，9］。

综上所述，本文以永磁交流伺服驱动系统为研究对象，建立系统共模EMI模型，采用解析表达式和数值计算法提取模型中的参数，展开共模EMI噪声的预测，最后根据实测噪声，设计平面EMI滤波器，对超出电磁兼容标准的噪声进行抑制。

2 系统共模干扰原理

2.1 共模干扰源

计及电源线阻抗稳定网络(Line Impedance Stabilization Network，LISN)的永磁交流伺服驱动系统拓扑如图1所示。图1中，L和C1实现通工频到系统，引高频入地;C2作用为隔离非系统噪声进EMI接收机;VAC为市电;Hs为散热片(Heatsink);ZM是电机负载。

图1 永磁交流伺服驱动系统Fig．1Permanent magnet AC servo drives

由于IPM的三个桥臂是对称的，为了分析问题的简便和清晰，对单桥臂的共模噪声源进行探究。本文以左桥臂一个PWM周期内VT1、VT4开关状态的变化为例说明共模噪声源的形成机理，如图2所示。IPM左桥臂的开关状态见表1。

图2 共模干扰分析电路Fig．2Analysis circuit of CM EMI

表1 IPM左桥臂的开关状态Tab．1Switching state of left-leg of IPM

表1中，t1d为t1与上下管间死区时间td之和。在表1所示的时间段后，再过一个PWM周期，VT1由关断到开通，流经D4的电流在全部转移到VT6后，回到初始状态，左桥臂中点电位由－Ud/2跳回Ud/2。当iM实际流通方向与图2相反时，分析方法类似。这一工作原理与Buck变换器一样，因此单桥臂共模噪声源的分析，可借鉴Buck变换器共模干扰模型［10］。

鉴于此，类比Buck电路，建立IPM单桥臂的共模EMI模型:将IGBT替换为噪声源，用VT1集射极电压(iM实际流通方向与图2相反时，噪声源用VT1集射极反向电压表示，由于表征EMI频谱都用绝对值，即iM实际流通方向并不影响干扰源模型)表示。IPM桥臂是对称的，将三个单相桥臂中点对地的电压叠加后得到IPM共模EMI模型，如图3所示。图3中，Lcab、Rcab分别为LISN与变流器连接导线的电感和电阻;Lhs、Rhs分别为Hs与机箱连接导线的电感和电阻;Lp为直流母线排等效分布电感。

图3 IPM共模EMI模型Fig．3CM EMI model of IPM

2.2 传播路径

为了系统可靠运行，一般需要给功率开关管加装散热片。安装时通过导热绝缘介质与开关管的金属外壳相连，保证开关管不会因太热而失效，为了结构可靠，散热片又是与接地机箱连接在一起，于是开关管和参考地之间便产生了寄生电容Ci。

如图1所示，IPM中的IGBT在PWM调制时，产生的du/dt经寄生电容Ci耦合，产生共模干扰电流iM(图1中带箭头虚线)，在相与地之间流通，流经变流器、连接线缆和电机后，由地线进入LISN。

3 系统共模EMI模型参数提取

3.1 变流器高频参数

共模干扰电流流经变流器时，Lp和IPM的Ci是主要高频参数，如图4所示，采用解析表达式计算。

图4 变流器高频参数Fig．4High frequency parameters of power converter

图4中，ESRn和ESLn是直流侧电解电容Cn(n为电解电容的数目，图4中以3个作为示意)的等效串联电阻、串联电感，因为其分别远远小于EMI接收机的输入阻抗R和直流母线排分布电感Lx，通常将其忽略。变流器每个桥臂中点对地寄生电容Ci由上下管对地寄生电容叠加［11］:

式中，εr、ε0分别为绝缘介质、空气介电常数;S为IPM与散热片接触面积;h为绝缘介质厚度。

长为a、宽为b、厚为c的Lx由式(2)计算［12］:

式中，μ0为真空磁导率。

3.2 连接线缆参数

采用屏蔽线缆连接变流器和电机，可有效抑制输入到电机中的高频噪声电流。考虑屏蔽线缆内多线缆间有绝缘层、空气等非均匀介质，采用有限元法提取参数，如图5所示。图5中，h1和h2分别为任意单相线缆半径及包裹该相线缆绝缘层半径;h3为任意两相线缆中心距离;h4和h5为铜丝网屏蔽层内外层半径;h6为包裹三相线缆的外绝缘层半径。

图5 屏蔽线缆ANSYS模型Fig．5ANSYS model of shielded cable

线缆与屏蔽层及线缆互相之间均有电阻率很大的绝缘层，线缆间几乎无电流，因此可忽略电导;另外，任意一相线缆与屏蔽层构成的回路，由于较远的线缆中心距离，耦合作用较弱，故忽略了线缆互感。屏蔽线缆的电路模型如图6所示。图中，r1～r3、l1～l3分别为三相线缆单位长度电阻、自感;c10～c30为各相线缆对屏蔽层电容;c12、c23、c13为两相线缆间互电容;Δh为电路集总参数长度;G为屏蔽层，忽略电阻，作为参考导体。

图6 屏蔽线缆电路模型Fig．6Circuit model of shield cable

假定导线在z方向无限长，则其电场(磁场)分布可看作2D平行平面场。屏蔽线缆电容参数提取是静电场问题，建立其电场有限元模型，边值问题为:

式(3)为静电场的泛定方程;式(4)为静电场第一类边界条件;式(5)为静电场齐次第二类边界条件，有限元法计算时可以不做任何处理。通过ANSYS电容求解指令CMatrix可以求得图6模型中的部分电容。

屏蔽线缆自感及电阻参数提取是谐波磁场问题，建立其磁场有限元模型，选择矢量磁位A的z分量Az为自由度，则:

式中，Js为激励电流区域的电流面密度。分别对每根导线通电求解，通过ANSYS软件中PowerH指令求得通电导线的损耗P，用SEnergy指令求得整个求解域的能量W，电阻、自感参数求解如下:

式中，Ii为导体i中的电流。

3.3 永磁同步电机共模干扰等效模型

电机定子单相绕组模型(如图7所示)为永磁同步电机共模干扰探索的基础［13］。电机高频工作时，由于寄生参数影响，相与相互相耦合，模型中Zdm和Zcm不能直接获得。通过阻抗分析仪测量U、V短接后与W相的端口阻抗Z1以及U、V、W短接后与接地机壳G的端口阻抗Z2，经数据处理解耦后拟合出传导干扰频段内Zdm和Zcm的幅频特性曲线［14］。

图7 电机定子单相绕组模型Fig．7Per-phase model of stator winding for motor

将Zdm、Zcm、Z1和Z2用实部和虚部表示为: Rdm(i)、Xdm(i);Rcm(i)、Xcm(i);R1(i)、X1(i); R2(i)、X2(i)(150kHz≤i≤30MHz)。将Z1、Z2用Zdm、Zcm表示后，代入所测Z1、Z2数据，拟合出Zdm、Zcm曲线:

根据拟合曲线首个谐振点在曲线中的位置，分以下两种情况探索:

(1)首个谐振点在波谷

由R、L、C构成的阻抗单元，发生串联谐振时，谐振点处的频率fs、阻抗Zs与R、L、C有如下关系:

在该区域内任意寻找一非谐振点，设其频率为fp0、阻抗为Zp0，根据串联谐振理论，有:

用R、L、C(联立式(9)和式(10)求解)串联谐振单元表征从起始频率开始、包含此波谷且截止于第一个波峰的区域S。同理，包含N个波谷的Zdm、Zcm幅频特性曲线，用N个RLC串联谐振单元并联等效。

(2)首个谐振点在波峰

类似情况(1)，根据并联谐振理论，由谐振点频率fp、非谐振频率fp0及其分别对应的阻抗值求得用R、L、C参数表征的并联谐振单元，将其等效从起始频率开始、包含此波峰且截止于第一个波谷的区域P。同理，将N个RLC并联谐振单元进行串联，等效包含N个波峰的Zdm和Zcm幅频特性曲线。

4 系统高频参数提取及实验

4.1 实验参数

为验证系统共模EMI模型，对一套实验室研制的样机共模EMI噪声进行测试，样机参数如下:

(1)变流器高频寄生参数

IPM型号为IRAM136-3063B，Lx被三个大电解电容隔成八段，一一对应两段并联记为Lp(p=1～4)，阻抗分析仪(Agilent 4294A)测得的其他参数见表2。

表2 IPM的寄生参数Tab．2Parasitic parameters of IPM

(2)屏蔽线缆参数

屏蔽线缆模型是用电路集总参数描述的，而实际线缆较其长得多，需做处理:将其划分若干段，每一段长度小于0.1个线缆传输信号最高频率所确定波长［15］。由3.3节所述方法提取得到屏蔽线缆参数，见表3。

表3 屏蔽线缆参数Tab．3Parameters of shielded cable

(3)永磁同步电机共模干扰等效模型

电机型号为130ST-M4025，绕组星形连接。Zdm和Zcm首个谐振点均出现在波谷(如图8所示)，传导干扰全频段(为预测EMI噪声时的有效性，最高频率放宽至40MHz)的波谷数目分别为3个和2个，因此，用3个和2个RLC串联谐振单元并联后等效Zdm和Zcm，构建出电机定子单相绕组等效模型，如图9所示。根据上述理论，计算得其参数，见表4。

4.2 仿真与实验对比

图8 阻抗幅频特性曲线Fig．8Spectrum characteristics of fitting curve

图9 定子单相绕组等效模型Fig．9Equivalent model of per-phase for stator winding

表4 等效模型的寄生参数Tab．4Parasitic parameters of equivalent model

在Saber中进行瞬态分析，求解出LISN上的共模电压，再利用FFT分析得到系统共模EMI噪声频谱分布，如图10中“仿真”所示，图中折线为欧盟电磁兼容标准EN55022-A。

采用开关频率10kHz，SVPWM调制。电机额定参数为220V/50Hz、1kW和2500r/min。LISN型号为NNLK812(L=50μH，C1=8μF，C2=0.25μF，R= 50Ω)，EMI接收机为SCR3502，连接LISN后进行共模EMI噪声实测，频谱如图10中“测量”所示。

在传导干扰全频段范围内，系统共模EMI噪声仿真与实测频谱的变化趋势较为接近，误差较小。

4.3 平面EMI滤波器噪声抑制

平面EMI滤波器在不改变传统EMI滤波器拓扑基础之上，敷铜于高介电常数陶瓷板上，得到LC集成单元，构成差共模模块，封装在磁芯中。

假设滤波电路具有理想阻抗对称性，平面EMI滤波器拓扑“解耦”为共模和差模滤波器［16］，如图11所示。

图10 仿真与实测对比Fig．10Comparison of simulation and measurement

图11 平面EMI滤波器的差共模解耦Fig．11Decoupling of CM and DM mode for planar EMI filter

解耦后，目标更为明确，根据所测共模和差模噪声，分别设计，最终再合成为一组完整的滤波器。

图11中，CY、LDM、LCM、CX关系见式(11):

式中，fCM和fDM为滤波器的转折频率，求解步骤为:①将EMI噪声值减去所选标准限值得到衰减目标线;②将40dB/dec斜率的直线从左往右平移直至其与衰减目标线相切;③将频率轴与各自40dB/dec斜率线反向延长线的交点记为fCM和fDM。

根据上述理论，由永磁交流伺服驱动系统样机实测噪声，设计得到滤波器各组成模块参数，见表5。

表5 平面EMI滤波器参数数值Tab．5Values of parameters for planar EMI filter

结合表5所设计电磁参数，确定平面EMI滤波器各部件基本尺寸，完成滤波器的实物设计，并将其用于样机中，测试了噪声抑制性能，如图12和图13所示。

图12 共模EMI噪声测试Fig．12Measurement of CM EMI

图13 共模EMI噪声抑制Fig．13Suppression effect of CM EMI noise

5 结论

本文以永磁交流伺服驱动系统为研究对象，建立了系统共模EMI模型，与样机实测进行了对比，设计了新型滤波器并将其应用在样机上。

(1)基于解析表达式求解了变流器高频寄生参数，结合有限元软件提取了屏蔽线缆参数，利用阻抗分析仪实测和谐振单元法计算获得永磁同步电机共模干扰等效模型，提出了一种预测永磁交流伺服驱动系统共模EMI噪声方案，并实测验证。

(2)勿需电机内部参数，通过测量电机端口阻抗，获取电机干扰模型，方法简便，可移植性好。

(3)基于样机实测EMI噪声，设计了平面EMI滤波器，其在永磁交流伺服驱动系统中的应用证明了该新型滤波器噪声抑制的有效性和体积重量的小型化。

［1］孙冠群，蔡慧，李璟(Sun Guanqun，Cai Hui，Li Jing)．控制电机与特种电机(Motor control and special motor)［M］．北京:清华大学出版社(Beijing:Tsinghua University Press)，2012．

［2］李勇，陈志锦，郭丽(Li Yong，Chen Zhijin，Guo Li)．交流伺服系统电磁兼容设计(The design of electromagnetic compatibility on AC servo system)［J］．四川兵工学报(Sichuan Ordnance Journal)，2012，33(6):98-100．

［3］董兴华，张东宁，张媛(Dong Xinghua，Zhang Dongning，Zhang Yuan)．减少交流伺服系统电磁干扰的方法(The method of reducing EMI on AC servo system)［J］．微特电机(Small＆Special Electrical Machines)，2007，(10):21-23．

［4］M A Gries，B Mirafzal．Permanent magnet motor-drive frequency response characterization for transient phenomena and conducted EMI analysis［A］．Twenty-Third Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC 2008)［C］．2008.1767-1775．

［5］Haihui Lu，Arun K Guru．Modeling conducted emissions in servo drives［A］．IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA)［C］．2013.999-1004．

［6］钱照明，陈恒林(Qian Zhaoming，Chen Henglin)．电力电子装置电磁兼容研究最新进展(State of art of electromagnetic compatibility research on power electronic equipment)［J］．电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2007，22(7):1-11．

［7］邱艳，肖岚，曹海港(Qiu Yan，Xiao Lan，Cao Haigang)．基于噪声仿真的EMI滤波器研究(EMI filter design based on noise simulation)［J］．电力自动化设备(Electric Power Automation Equipment)，2010，30 (9):96-100．

［8］朱叶，王世山(Zhu Ye，Wang Shishan)．环形平面EMI滤波器差模电感的提取及实现(Extraction and implementation of differential mode inductor in annular EMI filter)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2012，31 (3):40-44．

［9］Huang Huifen，Yong Liang，Hu Binjie，et al．Techniques for improving the high-frequency performance of the planar CM EMI filter［J］．IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2013，55(5):901-908．

［10］陈名，孙旭东，黄立培(Chen Ming，Sun Xudong，Huang Lipei)．三相逆变器共模传导电磁干扰的建模与分析(Modeling and analysis of common mode conducted EMI in three phase inverter)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2012，31(1):18-21．

［11］裴雪军(Pei Xuejun)．PWM逆变器传导电磁干扰的研究(Research of conducted electromagnetic interference inPWM inverter)［D］．武汉:华中科技大学(Wuhan: Huazhong University of Science＆Technology)，2004．

［12］孟进，马伟明，张磊，等(Meng Jin，Ma Weiming，Zhang Lei，et al．)．PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型(High frequency model of conducted EMI for PWM variable-speed drive systems)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2008，28(15):141-146．

［13］Boglietti A，Carpaneto E．Induction motor high frequency model［A］．Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference［C］．1999.1551-1558．

［14］Idir N，Weens Y，Moreau M．High-frequency behavior models of AC models［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2009，45(1):133-138．

［15］Clayton R Paul，闻映红(Clayton R Paul，Wen Yinghong)．电磁兼容导论(Introduction to electromagnetic compatibility)［M］．北京:机械工业出版社(Beijing: China Machine Press)，2006．

［16］朱叶(Zhu Ye)．无源环形平面EMI滤波器的设计研究(Research on the design of planar EMI filter with passive components)［D］．南京:南京航空航天大学(Nanjing:Nanjing University of Aeronautics＆Astronautics)，2013．

Prediction and suppression of CM EMI in permanent magnet AC servo drives

YU Wei，WANG Shi-shan，YU Zhen-yang，ZHOU Feng
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautic，Nanjing 210016，China)

With the constant increase of switching frequency in power electronic devices，the reliable operation of permanent AC servo drives working in sophisticated occasion is more and more easily influenced because of EMI produced by the mutual action of higher du/dt and di/dt with parasitic parameters．EMI modeling plays an important role in analyzing，predicting and suppressing EMI．Therefore，a method of predicting common mode EMI(CM EMI)in permanent magnet AC servo drives is explored in this paper．As far as the IPM equipment in a typical system is concerned，its voltage of mid-leg jumps constantly．An equivalent model of CM EMI noise source is presented by analyzing that phenomenon．The propagation path of CM EMI is stated，and then the high frequency parameters of the main parts(including the power converter，shielded cable and Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM))are extracted with different methods．In 150kHz～30MHz frequency range，actual measurement of CM EMI is completed．Compared with the simulation result，the validity of the proposed model is confirmed finally．The EMI noise of the prototype is measured．A method to suppress the noise is proposed，in which a planar EMI filter will be used．The final experimental measurement shows that this filter can greatly reduce the noise in this system．

permanent magnet AC servo system;CM EMI source;parameter extraction;CM EMI model;planar EMI filter

TM921.51

A

1003-3076(2015)08-0062-07

2013-10-29

国家自然科学基金(51177071)、台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》(DREK2013 004)资助项目

余伟(1989-)，男，陕西籍，硕士研究生，从事电力电子电磁兼容的研究;王世山(1967-)，男，陕西籍，副教授，博士，主要从事电磁场数值计算、电力电子电磁兼容的研究。