基于GJB151B的永磁同步电机驱动系统 电磁兼容性研究

郭 嘉，高俊东，杨 璞，李 凯

(1.中国船舶重工集团七五零试验场，昆明 650051； 2.北京元六鸿远电子科技股份有限公司，北京 102600)

0 引 言

永磁同步电机驱动系统是比较典型的强电和弱电配合工作的机电一体化系统，强电和弱电本身是不相容的，但又必须在同一个系统工作，这就是电磁兼容成为机电一体化系统能否可靠运行的一个关键性问题[1]。由于永磁同步电机驱动系统的电力电子变换装置无论数量还是功率都远远超过其它舰船类设备，因此电磁兼容问题的严重性和复杂性也远高其它舰船类设备。从目前已有的舰船类组件/设备的电磁兼容测试过程来看，大部分设备都是经过多次整改才能够达到GJB151B-2013的要求。本文对舰船设备的驱动系统的电磁兼容性的研究也是始于基于国军标GJB151B对驱动系统的测试。

GJB151B中测试项目对各安装平台的适用性规定：安装平台为水面舰船和潜艇的测试项目共10项，CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103[2]，即分别从电源线的传导发射、电场磁场辐射发射、电源线传导敏感度、电场磁场敏感度做出专项测试。

1 驱动系统工作原理

工作原理图如图1，母线电压由动力电池提供，采用直流220VDC电压体制，为驱动电机(PMSM电机)提供能源，而电机控制器的输入供电是设备供电28 V，它与母线电压是独立的，电机控制器内部的二次电源(DC/DC模块)将设备供电28 V转换为控制电路和通信所需的低电压，控制器外部通信接口有CAN和以太网，通过CAN口接受来自航行控制系统的指令，以经典SVPWM算法实施电机的正弦波驱动：

图1 驱动系统原理图

2 骚扰机理分析

2.1 IGBT的噪声对电源的耦合

图2 二次电源硬件组成

控制器二次电源由多组5 W的DC/DC电源模块组成，另外，增加1路1 W的5 V转5 V的小功率模块专供CAN通信，IGBT驱动电源为双极性电源(输出：+15 V/-8V)。

这种5 W的电源模块尺寸做到小型化，体积仅有25.4×12.7×10 mm，重量8 g，内部电气间隙大幅减小，这为干扰注入到了电源输入侧提供了可能。

IGBT驱动电源在开关的瞬间会在+15 V和-8 V输出端形成尖峰电流，其尖峰电流包括过冲电流和IGBT栅极的灌入电流，且随着电机输出功率的增加，尖峰电流会变大，尖峰电流会反映到模块的输出电压上，即输出出现一定幅度的电压波动，尽管这种波动还不会影响到lGBT驱动芯片的正常工作。

IGBT的这种开关噪声会注入到驱动电源模块的输出端，而模块内部的变压器的一次侧和二次侧存在分布电容，二次侧的高频电压可以通过这些分布电容耦合到一次侧上，进一步传导和扩散，如图3所示。

图3 IGBT开关噪声

另外，电源模块周边的电磁环境会恶化，即对外空间辐射，尽管模块的外壳采用金属材质能提高屏蔽效能，但模块的管脚存在很强的天线效应，向周围空间呈现较强的电场辐射。

3.3 V为主控芯片工作电压，它是由5V电源经LDO转换得到的，按图4所示，控制电源+5V1已被注入噪声，而+5V1电源通过共地阻抗传导发射至3.3V电源，如图5所示。

图4 噪声通过模块之间的路径

图5 3.3V电源叠加的开关噪声

噪声的产生与IGBT的开通和关断同步，IGBT在导通瞬间会产生一个上的电压尖峰，在关断瞬间会产生一个向下的电压尖峰在电源上都有体现，如图6所示，理论上要求这种波动越小越好，但由于5 W的功率模块由于体积的限制，爬电距离、电气间隙(内部变压器一次到二次间隙)不够，这种电压波动很容易耦合到电源输出端。

图6 3.3V电源与PWM波形

2.2 IGBT的噪声对CAN总线的耦合

电机控制器是通过CAN总线接入舰船的通信网，CAN通信供电采用1 W的隔离非稳压电源模块(见图2)，并且CAN控制芯片与CAN驱动之间采用了光耦隔离，从硬件上来说有一定的抗干扰措施，但在实际工作中，发现IGBT的开关噪声依然叠加在了CAN总线上，如图7所示，噪声的周期为20 kHz。

图7 CAN报文上叠加的开关噪声

若叠加的干扰电平幅值过高，会导致该节点进入总线错误状态(包括主动错误与被动错误)，严重时甚至会出现总线关闭状态，即电机控制器节点脱离总线，不能发送和接受任何报文。

2.3 晶振辐射

电机控制器内部CPU的晶振采用30 MHz无源晶振，经CPU片内PLL倍频后产生150 MHz的工作时钟。

30 MHz晶振测试波形如下图，该波形具有较慢上升/下降时间的振荡器，呈现了较好的EMI特性。

图8 CPU晶振波形(30MHz)

但是，由于晶振在PCB上的走线处于表层，骚扰可以通过临近的走线和电源线耦合到其他单板和电缆，而且没有物理连接点的晶振金属外壳通过对地分布电容变成天线，容易通过空间直接辐射到电机控制器的壳外引起辐射发射超标，如图9(a)所示。

在晶振的外壳上用铜箔进行局部屏蔽和接地处理后重新测试，辐射降低了38dB，如图9(b)所示。

图9 晶振辐射

2.4 电源模块自身辐射

电机控制器内部的电源模块众多，电源模块在提供各种等级电压的电源的同时，也会产生很强的辐射。电源模块除了开关管等辐射源直接通过具有天线效应的管脚向外辐射以外，还有电源的控制电路、变压器、电感等直接向空间辐射电磁能量，因此，电源模块的外壳是金属会起到一定的屏蔽效果。

电源模块为做到小型化、高功率密度，内部的开关管工作的频率较高，一般为300 kHz～500 kHz，产生的脉冲电流和电压具有很丰富的高频谐波，如图10所示，这是用近场探头结合频谱分析仪在电源模块周边测量到的辐射强度，可以看到10次以下的谐波辐射强度都是较大的。

图10 电源模块辐射的高频谐波

传导干扰是通过电源输入线向外传播，有差模和共模干扰，共模会比差模产生更强的辐射干扰。由于共模干扰的产生是电源与大地之间有分布电容，图10中的高频谐波分量通过分布电容传入大地，与电源线构成回路，从而产生共模干扰，又可以耦合到其它导线上，如动力220 V直流母线上。

3 电磁兼容性测试

GJB151B对军用设备和分系统的电磁要求和测量方法做了详细规定，舰船类测试项目共10项目，如表1所示。本文结合上述的骚扰机理重点对CE102、RE101、RE102这几项做出论述。

表1 电磁兼容测试项目

CE101：电机控制器对于这一频段的传导干扰几乎不存在，如图11所示，这一项测试比较容易通过。

图11 CE101(25Hz-10kHz电源线传导)测试

分别对直流220 V母线和设备供电28 V做CE102测试，发现电源模块的高频谐波在28 V和220V直流母线上都存在，趋势较为接近，这是比较典型的电源共模干扰。

另外，CE102的测试结果对RE102低频段测试有着直接影响，完全可以通过CE102测试结果大致反应RE102在低频10 MHz以前的测试趋势。图12中，驱动系统在CE102传导测试的噪声高点在1 MHz附近，图14中，驱动系统的RE102测试表示1 MHz附近的噪声辐射也是最大的。

图12 CE102测试(直流220V母线)

图13 CE102测试(设备28V)

图14 RE102测试

RE101磁场辐射发射，频段为25 Hz～100 kHz，而驱动系统的IGBT的PWM频率为10 kHz，其基波和10次以下的谐波都在这个频段，图15表明，驱动系统的IGBT开关噪声引起的辐射强度是比较大的。

图15 RE101测试

4 解决办法

我们在对驱动系统的电磁兼容摸底测试中发现，在不施加任何滤波和屏蔽措施的情况想通过各项测试是很困难的，尤其是CE102和RE102这两项(第3节我们给出的部分测试曲线都是在整改措施之后的测试结果)。我们的技术方案还得从电磁干扰的三要素(骚扰源、传播途径和受扰设备)从这几方面入手。

4.1 抑制传导干扰

为减少传导干扰，应用中我们针对IGBT的开关噪声(基频和10次以内的谐波)设计了专用滤波器，它具备很高的差模插入损耗，如图16所示，10 kHz～100 kHz之间的插损不低于45dB，能有效降低了通过直流母线对外的传导干扰和电磁发射强度。

图16 220V直流母线滤波器

另外，在设备供电28 V的电源输入侧设计了工作原理类似的滤波器，但该28 V滤波器的中心频率是能覆盖到电源模块的开关频率和高次谐波，这就降低了驱动系统通过设备28 V电源线对外的传导干扰和电磁发射强度。

使用上述滤波器时，我们应当注意的是：应对各相电源线对地电容量加以限制，因为这类滤波器通过接地面为共模电流提供低阻抗通道，使这种电流可能耦合到同一接地面的其它设备中[3]。

4.2 抑制辐射干扰

针对RE102超标的情况，针对驱动系统的电机本体部分我们采取的措施：将电机外壳形成一个良好的密封体实现屏蔽的完整性，防止电磁泄漏，再通过多点接地的方式将电机屏蔽外壳与船体可靠接地，可以有效降低电机的电磁辐射水平[4]。

针对驱动系统的控制部分，常规处理措施(外部的屏蔽电缆和接地等)的效果很有限，我们利用频谱仪加上场探头对控制部分的各个元器件进行测试，寻找辐射源对应的电路和器件，有的放矢，就近采取屏蔽或切断耦合路径，效果更加明显。

5 结 语

永磁同步驱动系统是舰船最强的电磁骚扰源之一，它最主要的干扰频段位于5kHz～300MHz，这覆盖到了很多舰船水声通信设备的工作频段，处理不好会严重影响其它系统的正常工作和自身的可靠性。

鉴于这类电磁兼容问题的重要性，本文详细论述了舰船驱动系统的电磁骚扰机理，给出了问题的解决办法和部分基于GJB151B的电磁兼容测试结果，对于其它类型的电驱动系统同样具有借鉴意义。