飞机电刹车系统电磁干扰产生机理及抑制方法

相里康，马瑞卿，张庆超，韩伟健，邓钧君

（西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072）

飞机电刹车系统电磁干扰产生机理及抑制方法

相里康，马瑞卿，张庆超，韩伟健，邓钧君

（西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072）

针对飞机电刹车系统力传感器信号上叠加有高幅干扰这一问题，通过对电刹车系统分析，认为电机三相电流以及机电作动控制器（EMAC）输出PWM波为主要干扰源，电缆线路之间的耦合干扰是造成干扰的主要原因。建立了线路耦合干扰的数学模型，并据此采用电磁屏蔽、线路绞合和有效接地来减少线路耦合，并在EMAC输出端设计了无源EMI滤波器。通过这些改进，极大地减弱了干扰，提高了系统电磁兼容性，保证了刹车力伺服系统正常工作。

飞机；电刹车系统；电磁干扰；传输电缆；EMI滤波器

全电刹车系统利用电机驱动装置来驱动刹车执行机构，使用电子传输线路代替原有的液压输油管路，实现机轮刹车的制动控制功能［1］。全电刹车系统具有更好的安全性、可靠性、可维护性以及更优良的潜在刹车性能，可以大幅地减轻系统重量。然而也带来了很多问题，其中电子信号的电磁干扰问题，就是其中之一。飞机全电刹车系统主要由电压脉宽调制（pulse width modulation，PWM）控制的无刷直流电机力伺服系统组成，采用PWM控制提高了控制性能，然而却成为传导和辐射电磁干扰的主要来源［2］。其中传导干扰可能影响其他电气设备的正常运行，而辐射干扰将带来干扰源周围设备的误动作和故障。

1　刹车系统的电磁干扰

1.1电刹车系统力传感器上叠加的干扰

飞机全电刹车系统主要由刹车控制单元（brake control unit，BCU）、机电作动控制器（electro-mechanical actuator controller，EMAC）和机电作动器（electro-mechanical actuator，EMA）三部分组成，如图1所示。BCU由28 V低电压直流系统供电，EMA 和EMAC由28 V和160 V直流电源供电。EMAC与EMA的连接电缆长达10 m，且包含强干扰源——电机三相电压以及极易受到干扰的力传感器信号。

图1　飞机全电刹车系统框图

力传感器是飞机全电刹车系统的关键部件，其采集信号是否准确是刹车系统能够正常工作的保障，但由于力传感器工作电压低，传输距离长，势必会造成力传感器信号上叠加干扰信号。

连接电缆采用普通电缆时，EMAC中测得的刹车力给定和响应曲线如图2所示，从图2中可以看出：刹车力响应曲线存在严重的干扰。在给定信号低电平区域，干扰量较其他区域明显减小，而高电平区域干扰量明显增加。给定信号低电平区域处于电机不工作位置，PWM占空比为零，故可判断干扰量与PWM占空比密切相关。

图2　改进前的刹车力给定和响应波形

1.2刹车系统电磁干扰的产生机理

通过对各部件的分离测试分析发现，电机三相电流、EMAC输出PWM波是主要干扰源，而电缆线路的耦合干扰则是造成刹车力反馈信号遭到干扰的主要原因。

1.2.1刹车系统电磁干扰的产生机理

由于研究的是电机三相电流电磁干扰的产生机理，为了不带入PWM波的影响，设其占空比为100%。

电机稳定工作时，无刷直流电机的三相电流为非正弦周期函数，角频率为ω0，以A相为例，其电流表达式为

式中，A0为A相电流的直流分量；A1cos（ω0t+φ1）为A相电流的基波分量，其角频率与A相电流相同，A1为基波振幅，φ1为基波初相角；其他各项为A相电流的n次谐波。

（2）式给出了各次谐波幅值的计算公式。

系统工作时，电机转速在0～4 500 r/min之间变化，电机为3对极，相电流基波频率最大为225 Hz，产生的电磁场为低频场，对外界设备的干扰，主要来源于近场感应。

1.2.2EMAC输出PWM波电磁干扰产生机理

EMAC采用PWM方式控制电机，由于很大的du/dt，会在较宽的频带内形成很强的电磁干扰，高次谐波会对负载直接干扰，还会通过电缆向空间辐射，干扰临近的电器设备。假设PWM波为理想的梯形波，上升下降时间相等，通过傅里叶变换可得到EMAC输出电压Ve（t）的幅频特性［3］为

式中，Ud为PWM波幅值电压；f0=1/T为PWM波的频率，其中T为PWM波的周期；tr为PWM波的上升时间，与下降时间tf相等，d=ton/T为PWM波的占空比，其中ton为PWM波的开通时间。

设f0=10 kHz，Ud=160 V，tr=100 ns，n从1～3 000 r/min，分别取不同占空比d=0.02，d=0.1，d= 0.5和d=0.98，根据（3）式分别画出Ve（t）的幅频特性曲线，如图3所示。

图3　PWM占空比d对Ve幅频特性的影响

从图3中可以看出，当占空比d=0.02时，PWM在几十兆赫兹甚至几百兆赫兹时仍具有较大幅值，而连接电缆长度为10 m大于部分谐波信号波长，会对外部设备产生辐射干扰。

对比图3中不同占空比对Ve幅频特性的影响，可以发现当d=0.02和d=0.98时，Ve的幅频特性相同，谐波频带很宽；当d=0.1时，频带减小，包含的高次谐波也相应减小，当d=0.5时频带最窄，包含的高次谐波最少。为减小辐射干扰，工作时，PWM波占空比应尽量接近50%。

1.2.3电缆线路耦合干扰

传输导线在电子电气设备的电磁兼容问题中占有重要的地位，加有激励的导线不仅会对临近的导线产生串扰，还会产生辐射。可见，导线是导致设备和系统不能满足有关电磁干扰限值要求的主要原因。

表1　EMA与EMAC连接电缆信号定义

EMAC与EMA连接电缆导线定义如表1所示，其传递信号包含电机三相PWM（0～160 V，20 kHz）强干扰源和力传感器信号，力传感器输出4～20 mA电流，通过采样电阻变为0.48～2.4 V电压信号，二者通过1条电缆相连，存在着严重的电磁干扰问题，来自系统内部和外部的电磁干扰侵入力传感器的输出通道，会使测量数据出现采集误差，影响刹车系统的可靠、安全运行。

电缆之间的形成相互耦合是全电刹车系统电磁干扰的主要原因之一，根据干扰产生的机理主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射3种形式，其中电磁场辐射的干扰相对较小。下面主要分析2种耦合造成的干扰。

假设电缆弱耦合、有限长度、特性相同，且轴向电磁场为0。则被干扰电缆末端电压VR可简化为［4］

造成磁场耦合干扰的原因是2根导体之间的互感产生的耦合，如图4所示，干扰导线上的电压VG在被干扰导线上产生的磁场耦合干扰电压为

式中：ω为干扰源导线1的信号角频率；MW为单位长度上2根导线之间的互感；L为导线长度；ZLR为被干扰导线末端负载阻抗；Z0R为被干扰导线起始端阻抗；ZW为单位长度导线上的阻抗；Z0G为干扰导线起始端的阻抗；ZLG为干扰导线末端的阻抗。

图4　两导线之间的磁场耦合示意图

图5　两导线之间的电场耦合示意图

造成电场耦合的原因是2根导线之间的互电容耦合所产生的，如图5所示。干扰导线在被干扰导线上形成的电场耦合干扰电压为

式中，CWM为2根导线之间的互电容。

除了磁场耦合电压和电场耦合电压外，被干扰电缆上还存在一部分损耗称之为耦合损耗电压。其值为：

2　减小电磁干扰的方法

2.1减小线路耦合

根据（4）～（7）式，为减小低频线路耦合干扰，可采用以下的设计方法［6］：

·减小电磁干扰源的强度，即减小VG大小；

·减小耦合场，即减小线路间的互感和互电容，即减小MW和CWM；

·设计负载阻抗使之不产生干扰，即合理设计Z0R、ZLR、Z0G和ZLG。

对于全电刹车系统，逆变器所引入的电磁干扰强度很难减小，而导线前级和后级阻抗为电路固有特性，很难有所改变，所以要解决全电刹车系统线路电磁干扰问题，减小耦合场是最有效和最方便的方法，具体可采用电磁屏蔽，线路胶合和有效接地的方法。

2.1.1电磁屏蔽

有效接地的屏蔽体上的电压为零，所以被干扰导体上的噪声电压也为零，2根导线之间的互电容不存在了，干扰效应只决定于屏蔽体的转移电容Ct，而乘积CtVs可以看成是穿透屏蔽体的干扰线电场在被干扰线上产生的感应电荷［6］。对于良导体来讲，Ct很小，比整条线缆上的互电容CWML小的多，显然产生的影响也要小得多。

由于ZW相对于Z0G、ZLG、Z0R、ZLR很小可以忽略，故（5）式可化为

干扰导线上流过的电流为：

则，（8）式可化为

相当于干扰导线在被干扰导线上感应的电压VGR，在负载ZLR上的分压，其中VGR为

如果屏蔽层两端接地，由于干扰导线和屏蔽层之间互感MGS的存在，会在屏蔽层上感应出电压VGS，此时磁场耦合电压，应在VGR的基础上，叠加一个屏蔽层在被干扰导线上感应的电压VRS，如图6所示，即

由于屏蔽层并没有改变干扰导线和被干扰导线之间的几何位置和空间磁场性质，所以被干扰导线受干扰导线的感应电压VGR没有受到影响。

图6　电磁屏蔽对磁场耦合的作用示意图

屏蔽层上流过的电流IGS为

式中，LS和RS为屏蔽层的自感和电阻。

据（10）式，屏蔽层在被干扰线上感应电压VRS为

式中，屏蔽层与被干扰导线间的互感。

干扰导线在屏蔽层上的感应电压VGS为

将（14）式代入（12）式，再代入（13）式，可得

由于所有磁通量都是由环绕中心导线的屏蔽层上的电流产生的，因此，屏蔽层与中心导线间的互感就等于屏蔽层的自感，即LS=MRS。

又因为相对干扰导线，屏蔽层和被干扰导线在空间位置相同，故MGS=MGR=MWL。

将（15）式和（10）式代入（11）式中，可得

即为一个定值，式中RS/LS称为电缆屏蔽层的截止频率ωc，当ω≫ωc时，屏蔽电缆对磁场耦合具有很好的屏蔽。

2.1.2线路绞合

全电刹车系统本质上是一个无刷直流电机控制系统，电缆上的干扰主要来源于逆变器和电机本体相连的三相线，如果将三相线相绞合，由于控制电路和驱动电路控制逆变器使电机每一时刻导通两相绕组，在每一时刻只有2根导线上有电流流过，绞合后，其产生的磁通相互抵消，可有效减小磁场耦合干扰，如图7所示。

图7　干扰导线绞合后的磁场耦合分析

导线绞合不仅能减少干扰导线所引起的磁通，而且可以减少被干扰导线感应电流的大小，如图8所示。在外磁场作用下，2根导线上流过的感应电流方向相反，相互抵消。

图8　被干扰导线绞合后的磁场耦合分析

2.1.3接地技术

从防止暂态过电压看，屏蔽层采用两点接地为好，两点接地使电磁感应在屏蔽层上产生一个感应纵向电流，该电流产生一个与主干扰相反的二次场，抵消主干扰场的作用，使干扰电压降低［7］。

从EMAC到EMA的控制电缆，由于其输入和输出均有一端在逆变器开关场的高压环境中，电磁感应干扰是主要矛盾，且电机三相电缆芯所在回路为强电回路，因而外屏蔽层电流产生的干扰信号影响较小，所以必须采用两点接地的方式。

但是，两点接地存在2个问题：①当接地网上出现短路电流或雷击电流时，由于电缆屏蔽层两点的电位不同，使屏蔽层内流过电流，可能烧毁屏蔽层。②当屏蔽层内流过电流时，对传感器芯线将产生干扰信号，所以对传感器信号，电磁感应干扰比较而言矛盾不突出，而两点接地产生的屏蔽层电流，对芯线产生干扰有可能使装置误动，故宜采用一点接地［7］。

对于双层屏蔽电缆，内屏蔽应一端接地，外屏蔽应两端接地，即双屏蔽电缆的一端应使内层屏蔽与外层屏蔽焊接到一起，然后用接地线焊接引出到保护盘或光端设备终端上的接地铜排上，另一端只引出外屏蔽层接地。

2.1.4传输电缆设计

基于上述分析，首先应该定义系统电缆连接图，再定义每一种连接的电气参数定义连接器的插针，并对其进行分组，然后决定每组导线的扭转和屏蔽情况，然后决定其屏蔽层接地情况。根据该设计流程，建立了全电刹车系统EMAC与EMA连接电缆设计需求表，如表2所示。

表2　EMAC与EMA连接电缆设计表

2.2电机驱动器无源EMI滤波器设计

电磁干扰的产生必须具备3个要素：干扰源、传播途径和敏感设备。任何一个元素的削弱，电磁干扰问题都会得到改善和解决。在2.1中讨论了通过改善传播途径的方法抑制电磁干扰，本节针对EMAC输出PWM波，设计无源EMI滤波器。

图9　电机驱动器EMI滤波器拓扑

系统采用了如图9所示的滤波器拓扑，包含共模滤波器和差模滤波器。差模滤波器主要是为了减缓EMAC输出端PWM波的dv/dt，其在逆变器输出侧采用了3个差模电感Ld、3个阻尼电阻器Rd和3个星形连接的电感Cd，形成了1个低通滤波器用于减缓电机端的电压变化速率，抑制电机端的电压超调。共模滤波器采用了共模扼流圈，其共模电感Lc与电机三相和未接地的电机中性点以及输入160 V直流电压的中点通过串联的共模电阻Rc和共模电容Cc组成1个电流环，可以有效减小电机端的共模电压［8］。

3　试验结果

根据2.1.4节对线缆的改造，刹车力反馈信号上叠加的干扰得到了很大程度抑制，如图10所示。

图10　采用传输电缆重设计后的刹车力给定和反馈信号

但由于电缆无法做到完全屏蔽，信号上依然叠加有不小的干扰。考虑到通过减小干扰源，也可减小力传感器的干扰，给原有逆变器电路安装了如2.2节所示的电机驱动器滤波器，其刹车力反馈信号如图11所示，可以看出刹车力反馈信号上只叠加了很小的干扰，干扰信号已经满足要求，通过软件滤波后，不会对刹车力闭环造成较大影响。

图11　增加电机驱动器EMI滤波器后的刹车力给定和反馈波形

4　结 论

本文分析了力传感器信号上叠加的干扰，研究了系统电磁干扰的产生机理，得出电机三相电流和EMAC输出PWM波是主要干扰源，而电缆线路的耦合干扰是造成干扰的主要原因，并据此建立了线路耦合干扰的数学模型，根据模型，提出通过改进EMAC与EMA之间连接电缆，以及设计电机驱动器无源EMI滤波器的方式，消除力传感器反馈信号上叠加的干扰。通过试验验证，改进后的系统有效地消除了力传感器反馈信号上叠加的干扰，提高了系统的电磁兼容性，保证了系统能够正常工作。

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Mechanism for Electro-Magnetic Interference in an Aircraft′s Electric Braking System and Its Suppression Method

Xiangli Kang，Ma Ruiqing，Zhang Qingchao，Han Weijian，Deng Junjun
（Department of Automation Control，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

This paper deals with the problem that the signals of the force sensor of an aircraft′s electric braking system are superimposed with high-amplitude interference.The analysis of the electric braking system shows that the three-phase current of its motor and the pulse width modulation（PWM）wave output by the electro-mechanical actuator controller（EMAC）are the primary sources of interference and that the coupling interference between cable lines is the main cause of the interference of signals of the force sensor.The mathematical model of coupling interference between cable lines is established，according to which the transmission cable is designed and the line coupling was reduced by using electromagnetic shielding，line twisting and effective grounding.A passive electromagnetic interference（EMI）filter is designed for the output end of the EMAC.Through these improvements，the interference superimposed on the force sensor is greatly reduced.The paper also improves the electromagnetic compatibility of the electric braking system and ensures that the braking force servo system works normally.

aircraft，braking，brushless DC motors，design，design of experiments，efficiency，electromagnetic shielding，fast Fourier transforms，interference suppression，mathematical models，pulse width modulation，sensors，schematic diagrams，topology，electric braking system，electromagnetic interference （EMI），EMI filter，transmission cable.

V242.4

A

1000-2758（2015）06-0994-07

2015-04-24

相里康（1988—），西北工业大学博士研究生，主要从事飞机全电刹车系统及其关键技术的研究。