飛機(jī)電剎車系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理及抑制方法

相里康，馬瑞卿，張慶超，韓偉健，鄧鈞君

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安 710072）

飛機(jī)電剎車系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理及抑制方法

相里康，馬瑞卿，張慶超，韓偉健，鄧鈞君

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安 710072）

針對(duì)飛機(jī)電剎車系統(tǒng)力傳感器信號(hào)上疊加有高幅干擾這一問題，通過對(duì)電剎車系統(tǒng)分析，認(rèn)為電機(jī)三相電流以及機(jī)電作動(dòng)控制器（EMAC）輸出PWM波為主要干擾源，電纜線路之間的耦合干擾是造成干擾的主要原因。建立了線路耦合干擾的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此采用電磁屏蔽、線路絞合和有效接地來減少線路耦合，并在EMAC輸出端設(shè)計(jì)了無源EMI濾波器。通過這些改進(jìn)，極大地減弱了干擾，提高了系統(tǒng)電磁兼容性，保證了剎車力伺服系統(tǒng)正常工作。

飛機(jī)；電剎車系統(tǒng)；電磁干擾；傳輸電纜；EMI濾波器

全電剎車系統(tǒng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用電子傳輸線路代替原有的液壓輸油管路，實(shí)現(xiàn)機(jī)輪剎車的制動(dòng)控制功能［1］。全電剎車系統(tǒng)具有更好的安全性、可靠性、可維護(hù)性以及更優(yōu)良的潛在剎車性能，可以大幅地減輕系統(tǒng)重量。然而也帶來了很多問題，其中電子信號(hào)的電磁干擾問題，就是其中之一。飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)主要由電壓脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制的無刷直流電機(jī)力伺服系統(tǒng)組成，采用PWM控制提高了控制性能，然而卻成為傳導(dǎo)和輻射電磁干擾的主要來源［2］。其中傳導(dǎo)干擾可能影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，而輻射干擾將帶來干擾源周圍設(shè)備的誤動(dòng)作和故障。

1　剎車系統(tǒng)的電磁干擾

1.1電剎車系統(tǒng)力傳感器上疊加的干擾

飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)主要由剎車控制單元（brake control unit，BCU）、機(jī)電作動(dòng)控制器（electro-mechanical actuator controller，EMAC）和機(jī)電作動(dòng)器（electro-mechanical actuator，EMA）三部分組成，如圖1所示。BCU由28 V低電壓直流系統(tǒng)供電，EMA 和EMAC由28 V和160 V直流電源供電。EMAC與EMA的連接電纜長達(dá)10 m，且包含強(qiáng)干擾源——電機(jī)三相電壓以及極易受到干擾的力傳感器信號(hào)。

圖1　飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)框圖

力傳感器是飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其采集信號(hào)是否準(zhǔn)確是剎車系統(tǒng)能夠正常工作的保障，但由于力傳感器工作電壓低，傳輸距離長，勢必會(huì)造成力傳感器信號(hào)上疊加干擾信號(hào)。

連接電纜采用普通電纜時(shí)，EMAC中測得的剎車力給定和響應(yīng)曲線如圖2所示，從圖2中可以看出：剎車力響應(yīng)曲線存在嚴(yán)重的干擾。在給定信號(hào)低電平區(qū)域，干擾量較其他區(qū)域明顯減小，而高電平區(qū)域干擾量明顯增加。給定信號(hào)低電平區(qū)域處于電機(jī)不工作位置，PWM占空比為零，故可判斷干擾量與PWM占空比密切相關(guān)。

圖2　改進(jìn)前的剎車力給定和響應(yīng)波形

1.2剎車系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

通過對(duì)各部件的分離測試分析發(fā)現(xiàn)，電機(jī)三相電流、EMAC輸出PWM波是主要干擾源，而電纜線路的耦合干擾則是造成剎車力反饋信號(hào)遭到干擾的主要原因。

1.2.1剎車系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

由于研究的是電機(jī)三相電流電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，為了不帶入PWM波的影響，設(shè)其占空比為100%。

電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，無刷直流電機(jī)的三相電流為非正弦周期函數(shù)，角頻率為ω0，以A相為例，其電流表達(dá)式為

式中，A0為A相電流的直流分量；A1cos（ω0t+φ1）為A相電流的基波分量，其角頻率與A相電流相同，A1為基波振幅，φ1為基波初相角；其他各項(xiàng)為A相電流的n次諧波。

（2）式給出了各次諧波幅值的計(jì)算公式。

系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～4 500 r/min之間變化，電機(jī)為3對(duì)極，相電流基波頻率最大為225 Hz，產(chǎn)生的電磁場為低頻場，對(duì)外界設(shè)備的干擾，主要來源于近場感應(yīng)。

1.2.2EMAC輸出PWM波電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理

EMAC采用PWM方式控制電機(jī)，由于很大的du/dt，會(huì)在較寬的頻帶內(nèi)形成很強(qiáng)的電磁干擾，高次諧波會(huì)對(duì)負(fù)載直接干擾，還會(huì)通過電纜向空間輻射，干擾臨近的電器設(shè)備。假設(shè)PWM波為理想的梯形波，上升下降時(shí)間相等，通過傅里葉變換可得到EMAC輸出電壓Ve（t）的幅頻特性［3］為

式中，Ud為PWM波幅值電壓；f0=1/T為PWM波的頻率，其中T為PWM波的周期；tr為PWM波的上升時(shí)間，與下降時(shí)間tf相等，d=ton/T為PWM波的占空比，其中ton為PWM波的開通時(shí)間。

設(shè)f0=10 kHz，Ud=160 V，tr=100 ns，n從1～3 000 r/min，分別取不同占空比d=0.02，d=0.1，d= 0.5和d=0.98，根據(jù)（3）式分別畫出Ve（t）的幅頻特性曲線，如圖3所示。

圖3　PWM占空比d對(duì)Ve幅頻特性的影響

從圖3中可以看出，當(dāng)占空比d=0.02時(shí)，PWM在幾十兆赫茲甚至幾百兆赫茲時(shí)仍具有較大幅值，而連接電纜長度為10 m大于部分諧波信號(hào)波長，會(huì)對(duì)外部設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾。

對(duì)比圖3中不同占空比對(duì)Ve幅頻特性的影響，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)d=0.02和d=0.98時(shí)，Ve的幅頻特性相同，諧波頻帶很寬；當(dāng)d=0.1時(shí)，頻帶減小，包含的高次諧波也相應(yīng)減小，當(dāng)d=0.5時(shí)頻帶最窄，包含的高次諧波最少。為減小輻射干擾，工作時(shí)，PWM波占空比應(yīng)盡量接近50%。

1.2.3電纜線路耦合干擾

傳輸導(dǎo)線在電子電氣設(shè)備的電磁兼容問題中占有重要的地位，加有激勵(lì)的導(dǎo)線不僅會(huì)對(duì)臨近的導(dǎo)線產(chǎn)生串?dāng)_，還會(huì)產(chǎn)生輻射?？梢?，導(dǎo)線是導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾限值要求的主要原因。

表1　EMA與EMAC連接電纜信號(hào)定義

EMAC與EMA連接電纜導(dǎo)線定義如表1所示，其傳遞信號(hào)包含電機(jī)三相PWM（0～160 V，20 kHz）強(qiáng)干擾源和力傳感器信號(hào)，力傳感器輸出4～20 mA電流，通過采樣電阻變?yōu)?.48～2.4 V電壓信號(hào)，二者通過1條電纜相連，存在著嚴(yán)重的電磁干擾問題，來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的電磁干擾侵入力傳感器的輸出通道，會(huì)使測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)采集誤差，影響剎車系統(tǒng)的可靠、安全運(yùn)行。

電纜之間的形成相互耦合是全電剎車系統(tǒng)電磁干擾的主要原因之一，根據(jù)干擾產(chǎn)生的機(jī)理主要表現(xiàn)為電容性耦合、電感性耦合、電磁場輻射3種形式，其中電磁場輻射的干擾相對(duì)較小。下面主要分析2種耦合造成的干擾。

假設(shè)電纜弱耦合、有限長度、特性相同，且軸向電磁場為0。則被干擾電纜末端電壓VR可簡化為［4］

造成磁場耦合干擾的原因是2根導(dǎo)體之間的互感產(chǎn)生的耦合，如圖4所示，干擾導(dǎo)線上的電壓VG在被干擾導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場耦合干擾電壓為

式中：ω為干擾源導(dǎo)線1的信號(hào)角頻率；MW為單位長度上2根導(dǎo)線之間的互感；L為導(dǎo)線長度；ZLR為被干擾導(dǎo)線末端負(fù)載阻抗；Z0R為被干擾導(dǎo)線起始端阻抗；ZW為單位長度導(dǎo)線上的阻抗；Z0G為干擾導(dǎo)線起始端的阻抗；ZLG為干擾導(dǎo)線末端的阻抗。

圖4　兩導(dǎo)線之間的磁場耦合示意圖

圖5　兩導(dǎo)線之間的電場耦合示意圖

造成電場耦合的原因是2根導(dǎo)線之間的互電容耦合所產(chǎn)生的，如圖5所示。干擾導(dǎo)線在被干擾導(dǎo)線上形成的電場耦合干擾電壓為

式中，CWM為2根導(dǎo)線之間的互電容。

除了磁場耦合電壓和電場耦合電壓外，被干擾電纜上還存在一部分損耗稱之為耦合損耗電壓。其值為：

2　減小電磁干擾的方法

2.1減小線路耦合

根據(jù)（4）～（7）式，為減小低頻線路耦合干擾，可采用以下的設(shè)計(jì)方法［6］：

·減小電磁干擾源的強(qiáng)度，即減小VG大?。?/p>

·減小耦合場，即減小線路間的互感和互電容，即減小MW和CWM；

·設(shè)計(jì)負(fù)載阻抗使之不產(chǎn)生干擾，即合理設(shè)計(jì)Z0R、ZLR、Z0G和ZLG。

對(duì)于全電剎車系統(tǒng)，逆變器所引入的電磁干擾強(qiáng)度很難減小，而導(dǎo)線前級(jí)和后級(jí)阻抗為電路固有特性，很難有所改變，所以要解決全電剎車系統(tǒng)線路電磁干擾問題，減小耦合場是最有效和最方便的方法，具體可采用電磁屏蔽，線路膠合和有效接地的方法。

2.1.1電磁屏蔽

有效接地的屏蔽體上的電壓為零，所以被干擾導(dǎo)體上的噪聲電壓也為零，2根導(dǎo)線之間的互電容不存在了，干擾效應(yīng)只決定于屏蔽體的轉(zhuǎn)移電容Ct，而乘積CtVs可以看成是穿透屏蔽體的干擾線電場在被干擾線上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷［6］。對(duì)于良導(dǎo)體來講，Ct很小，比整條線纜上的互電容CWML小的多，顯然產(chǎn)生的影響也要小得多。

由于ZW相對(duì)于Z0G、ZLG、Z0R、ZLR很小可以忽略，故（5）式可化為

干擾導(dǎo)線上流過的電流為：

則，（8）式可化為

相當(dāng)于干擾導(dǎo)線在被干擾導(dǎo)線上感應(yīng)的電壓VGR，在負(fù)載ZLR上的分壓，其中VGR為

如果屏蔽層兩端接地，由于干擾導(dǎo)線和屏蔽層之間互感MGS的存在，會(huì)在屏蔽層上感應(yīng)出電壓VGS，此時(shí)磁場耦合電壓，應(yīng)在VGR的基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)屏蔽層在被干擾導(dǎo)線上感應(yīng)的電壓VRS，如圖6所示，即

由于屏蔽層并沒有改變干擾導(dǎo)線和被干擾導(dǎo)線之間的幾何位置和空間磁場性質(zhì)，所以被干擾導(dǎo)線受干擾導(dǎo)線的感應(yīng)電壓VGR沒有受到影響。

圖6　電磁屏蔽對(duì)磁場耦合的作用示意圖

屏蔽層上流過的電流IGS為

式中，LS和RS為屏蔽層的自感和電阻。

據(jù)（10）式，屏蔽層在被干擾線上感應(yīng)電壓VRS為

式中，屏蔽層與被干擾導(dǎo)線間的互感。

干擾導(dǎo)線在屏蔽層上的感應(yīng)電壓VGS為

將（14）式代入（12）式，再代入（13）式，可得

由于所有磁通量都是由環(huán)繞中心導(dǎo)線的屏蔽層上的電流產(chǎn)生的，因此，屏蔽層與中心導(dǎo)線間的互感就等于屏蔽層的自感，即LS=MRS。

又因?yàn)橄鄬?duì)干擾導(dǎo)線，屏蔽層和被干擾導(dǎo)線在空間位置相同，故MGS=MGR=MWL。

將（15）式和（10）式代入（11）式中，可得

即為一個(gè)定值，式中RS/LS稱為電纜屏蔽層的截止頻率ωc，當(dāng)ω?ωc時(shí)，屏蔽電纜對(duì)磁場耦合具有很好的屏蔽。

2.1.2線路絞合

全電剎車系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，電纜上的干擾主要來源于逆變器和電機(jī)本體相連的三相線，如果將三相線相絞合，由于控制電路和驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器使電機(jī)每一時(shí)刻導(dǎo)通兩相繞組，在每一時(shí)刻只有2根導(dǎo)線上有電流流過，絞合后，其產(chǎn)生的磁通相互抵消，可有效減小磁場耦合干擾，如圖7所示。

圖7　干擾導(dǎo)線絞合后的磁場耦合分析

導(dǎo)線絞合不僅能減少干擾導(dǎo)線所引起的磁通，而且可以減少被干擾導(dǎo)線感應(yīng)電流的大小，如圖8所示。在外磁場作用下，2根導(dǎo)線上流過的感應(yīng)電流方向相反，相互抵消。

圖8　被干擾導(dǎo)線絞合后的磁場耦合分析

2.1.3接地技術(shù)

從防止暫態(tài)過電壓看，屏蔽層采用兩點(diǎn)接地為好，兩點(diǎn)接地使電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)縱向電流，該電流產(chǎn)生一個(gè)與主干擾相反的二次場，抵消主干擾場的作用，使干擾電壓降低［7］。

從EMAC到EMA的控制電纜，由于其輸入和輸出均有一端在逆變器開關(guān)場的高壓環(huán)境中，電磁感應(yīng)干擾是主要矛盾，且電機(jī)三相電纜芯所在回路為強(qiáng)電回路，因而外屏蔽層電流產(chǎn)生的干擾信號(hào)影響較小，所以必須采用兩點(diǎn)接地的方式。

但是，兩點(diǎn)接地存在2個(gè)問題：①當(dāng)接地網(wǎng)上出現(xiàn)短路電流或雷擊電流時(shí)，由于電纜屏蔽層兩點(diǎn)的電位不同，使屏蔽層內(nèi)流過電流，可能燒毀屏蔽層。②當(dāng)屏蔽層內(nèi)流過電流時(shí)，對(duì)傳感器芯線將產(chǎn)生干擾信號(hào)，所以對(duì)傳感器信號(hào)，電磁感應(yīng)干擾比較而言矛盾不突出，而兩點(diǎn)接地產(chǎn)生的屏蔽層電流，對(duì)芯線產(chǎn)生干擾有可能使裝置誤動(dòng)，故宜采用一點(diǎn)接地［7］。

對(duì)于雙層屏蔽電纜，內(nèi)屏蔽應(yīng)一端接地，外屏蔽應(yīng)兩端接地，即雙屏蔽電纜的一端應(yīng)使內(nèi)層屏蔽與外層屏蔽焊接到一起，然后用接地線焊接引出到保護(hù)盤或光端設(shè)備終端上的接地銅排上，另一端只引出外屏蔽層接地。

2.1.4傳輸電纜設(shè)計(jì)

基于上述分析，首先應(yīng)該定義系統(tǒng)電纜連接圖，再定義每一種連接的電氣參數(shù)定義連接器的插針，并對(duì)其進(jìn)行分組，然后決定每組導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)和屏蔽情況，然后決定其屏蔽層接地情況。根據(jù)該設(shè)計(jì)流程，建立了全電剎車系統(tǒng)EMAC與EMA連接電纜設(shè)計(jì)需求表，如表2所示。

表2　EMAC與EMA連接電纜設(shè)計(jì)表

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無源EMI濾波器設(shè)計(jì)

電磁干擾的產(chǎn)生必須具備3個(gè)要素：干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備。任何一個(gè)元素的削弱，電磁干擾問題都會(huì)得到改善和解決。在2.1中討論了通過改善傳播途徑的方法抑制電磁干擾，本節(jié)針對(duì)EMAC輸出PWM波，設(shè)計(jì)無源EMI濾波器。

圖9　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器EMI濾波器拓?fù)?/p>

系統(tǒng)采用了如圖9所示的濾波器拓?fù)?，包含共模濾波器和差模濾波器。差模濾波器主要是為了減緩EMAC輸出端PWM波的dv/dt，其在逆變器輸出側(cè)采用了3個(gè)差模電感Ld、3個(gè)阻尼電阻器Rd和3個(gè)星形連接的電感Cd，形成了1個(gè)低通濾波器用于減緩電機(jī)端的電壓變化速率，抑制電機(jī)端的電壓超調(diào)。共模濾波器采用了共模扼流圈，其共模電感Lc與電機(jī)三相和未接地的電機(jī)中性點(diǎn)以及輸入160 V直流電壓的中點(diǎn)通過串聯(lián)的共模電阻Rc和共模電容Cc組成1個(gè)電流環(huán)，可以有效減小電機(jī)端的共模電壓［8］。

3　試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2.1.4節(jié)對(duì)線纜的改造，剎車力反饋信號(hào)上疊加的干擾得到了很大程度抑制，如圖10所示。

圖10　采用傳輸電纜重設(shè)計(jì)后的剎車力給定和反饋信號(hào)

但由于電纜無法做到完全屏蔽，信號(hào)上依然疊加有不小的干擾?？紤]到通過減小干擾源，也可減小力傳感器的干擾，給原有逆變器電路安裝了如2.2節(jié)所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器濾波器，其剎車力反饋信號(hào)如圖11所示，可以看出剎車力反饋信號(hào)上只疊加了很小的干擾，干擾信號(hào)已經(jīng)滿足要求，通過軟件濾波后，不會(huì)對(duì)剎車力閉環(huán)造成較大影響。

圖11　增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)器EMI濾波器后的剎車力給定和反饋波形

4　結(jié) 論

本文分析了力傳感器信號(hào)上疊加的干擾，研究了系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，得出電機(jī)三相電流和EMAC輸出PWM波是主要干擾源，而電纜線路的耦合干擾是造成干擾的主要原因，并據(jù)此建立了線路耦合干擾的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型，提出通過改進(jìn)EMAC與EMA之間連接電纜，以及設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無源EMI濾波器的方式，消除力傳感器反饋信號(hào)上疊加的干擾。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的系統(tǒng)有效地消除了力傳感器反饋信號(hào)上疊加的干擾，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，保證了系統(tǒng)能夠正常工作。

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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—），西北工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究。