伺服驅(qū)動(dòng)器低壓輔助電源電磁干擾的抑制研究*

孫 超，陳恒林

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

伺服驅(qū)動(dòng)器主要包含電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、逆變模塊等。伺服驅(qū)動(dòng)器采用的主要控制方式為脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)，雖然提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，但同時(shí)也會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的電磁干擾問題[1-3]。

目前，針對(duì)驅(qū)動(dòng)器高壓和低壓之間干擾耦合問題的研究并不多。文獻(xiàn)[4-6]提出了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)建模方法，但沒有關(guān)注驅(qū)動(dòng)器高低壓耦合問題和干擾的抑制；文獻(xiàn)[7]提出了變頻器傳導(dǎo)干擾的差模和共模高頻模型，但沒有分析變頻器干擾對(duì)低壓輔助電源線的影響；文獻(xiàn)[8]對(duì)輔助電源高頻模型進(jìn)行了建模，但沒有分析具體干擾成分和抑制措施。通常工業(yè)上采用濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)和改善控制策略來抑制傳導(dǎo)干擾[9-11]，但是并沒有針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中低壓輔助電源干擾的抑制方法。

針對(duì)以上情況，本文將以通用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立伺服驅(qū)動(dòng)器的高頻共模電路模型，提出一條新的干擾傳播路徑，通過一系列測試證明模型的準(zhǔn)確性。

1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本文采用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包含高壓大電源、低壓輔助電源、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、上位機(jī)PC等幾部分。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器中存在兩套獨(dú)立的電源系統(tǒng)：高壓大電源和低壓輔助電源。高壓電通過驅(qū)動(dòng)器中的逆變橋給電機(jī)供電，低壓電通過驅(qū)動(dòng)器中的開關(guān)電源給驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、其他敏感設(shè)備供電。高壓側(cè)的開關(guān)器件進(jìn)行高頻開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的干擾會(huì)耦合到低壓電源線上，進(jìn)而影響到系統(tǒng)中的敏感設(shè)備。

2 伺服驅(qū)動(dòng)器高壓側(cè)對(duì)低壓輔助電源干擾傳播路徑

為分析伺服驅(qū)動(dòng)器中低壓輔助電源線上的干擾，首先需要確定干擾傳播回路。高頻開關(guān)管是整個(gè)系統(tǒng)的干擾源，干擾可以從多條路徑傳播至輔助電源處，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器低壓電源干擾耦合途徑

通常認(rèn)為高壓側(cè)的干擾耦合到低壓側(cè)存在以下3條干擾傳播路徑：(1)干擾源通過IGBT模塊與散熱片之間的寄生電容將干擾傳播至參考地，再傳到輔助電源；(2)干擾源通過電機(jī)線纜對(duì)地的寄生電容將干擾傳播至輔助電源；(3)干擾源通過電機(jī)機(jī)殼對(duì)地寄生電容將干擾傳播至輔助電源。

本文建立了驅(qū)動(dòng)器共模電路模型，在模型中提出了一條新的干擾傳播主要回路，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)器低壓線干擾傳播主要回路

由圖3可以看出：驅(qū)動(dòng)器中IGBT上管的開關(guān)電源副邊地線直接接到了逆變橋上、下橋臂的中點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)器下管IGBT的開關(guān)電源副邊地線直接接到了逆變電路的負(fù)線。因此，高壓側(cè)的干擾會(huì)通過開關(guān)電源副邊地線傳導(dǎo)至開關(guān)電源處，并經(jīng)由開關(guān)電源變壓器原副邊之間的寄生電容傳導(dǎo)耦合至低壓輔助電源線上，干擾會(huì)經(jīng)過LISN進(jìn)入大地，再通過高壓大電源線纜對(duì)地的寄生參數(shù)回到逆變電路的正、負(fù)高壓線上，從而構(gòu)成了完整的干擾主要傳播回路。

3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI測試

為驗(yàn)證圖3中的干擾傳播主要回路，本文針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做了實(shí)驗(yàn)測試，如表1所示。

電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器分別處于不同接地條件時(shí)，實(shí)驗(yàn)(1～4)對(duì)低壓輔助電源線上的EMI進(jìn)行測試；實(shí)驗(yàn)5對(duì)電機(jī)線纜在驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè)和電機(jī)輸入側(cè)處進(jìn)行共模電流的測試。

表1 設(shè)備不同接地情況

實(shí)驗(yàn)(1～4)中，改變電機(jī)機(jī)殼和驅(qū)動(dòng)器機(jī)殼的接地狀態(tài)，實(shí)質(zhì)是改變了干擾回路中存在的高頻阻抗，當(dāng)殼體不接地時(shí)，對(duì)應(yīng)包含該殼體的回路阻抗會(huì)增大，如果干擾傳播通過了這一殼體，實(shí)測的EMI結(jié)果應(yīng)該會(huì)減??；反之，干擾傳播未通過這一殼體，干擾大小不會(huì)有明顯變化或者是反而變大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果對(duì)比可以看到：驅(qū)動(dòng)器殼體浮地，增大了圖2中回路I的阻抗，但是EMI測試結(jié)果并沒有減小而是增大了，因此回路Ⅰ并不是干擾傳播的主要回路；

從實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3的結(jié)果可以看到：電機(jī)機(jī)殼浮地，增大了圖2中回路Ⅲ的阻抗，兩次實(shí)驗(yàn)測得的EMI大小無明顯變化，因此回路Ⅲ也不是干擾傳播的主要回路；

從如圖4(c)所示的中共模電流的測試結(jié)果可以得到：驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè)共模電流和電機(jī)進(jìn)線側(cè)共模電流基本一致，并沒有共模電流通過圖2中的回路Ⅱ進(jìn)行傳播，因此回路II不是干擾傳播的主要回路。而實(shí)驗(yàn)2中驅(qū)動(dòng)器機(jī)殼浮地，干擾增大的現(xiàn)象是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器和電機(jī)之間存在干擾耦合的回路，增大驅(qū)動(dòng)器殼體對(duì)地的阻抗，等效于增大了驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間阻抗，本應(yīng)在該回路中傳播的干擾通過驅(qū)動(dòng)器中的開關(guān)電源耦合到了低壓輔助電源線上。

因此，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，可以確認(rèn)圖3提出的干擾傳播路徑是最為主要的。

4 伺服驅(qū)動(dòng)器高頻共模電路模型

基于干擾傳播回路的分析，本文建立了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低壓輔助電源共模電路模型，如圖5所示。

圖5 共模電路模型O點(diǎn)—等效高壓正負(fù)線；M點(diǎn)—等效低壓輔助電源正負(fù)線；N點(diǎn)—等效驅(qū)動(dòng)器IGBT上下橋臂中點(diǎn)；G點(diǎn)—等效伺服驅(qū)動(dòng)器機(jī)殼即大地；Z1—伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器三相輸出側(cè)中點(diǎn)N和高壓線中點(diǎn)O之間的阻抗；Z2—三相輸出側(cè)中點(diǎn)N和低壓線中點(diǎn)M之間的阻抗，主要是逆變橋臂上三管IGBT驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)電源的等效阻抗(3個(gè)DC/DC并聯(lián))；Z3—高壓線中點(diǎn)O和低壓線中點(diǎn)M之間的阻抗，主要是逆變橋臂下三管IGBT驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)電源的等效阻抗(單個(gè)DC/DC)；Z4—三相輸出側(cè)中點(diǎn)N對(duì)散熱片的阻抗；Z5—LISN上的標(biāo)準(zhǔn)電阻，由于是共模等效模型，取值即為25 Ω

模型中每個(gè)阻抗參數(shù)的物理意義如表2所示。

表2 參數(shù)說明

5 伺服驅(qū)動(dòng)器低壓輔助電源線干擾的抑制

根據(jù)共模電路的模型，可以有針對(duì)性地對(duì)回路中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此起到EMI的抑制效果。本文主要采用了開關(guān)電源變壓器優(yōu)化和濾波器設(shè)計(jì)的綜合抑制手段，對(duì)低壓線上的干擾進(jìn)行抑制。

在開關(guān)電源變壓器中，原邊和副邊的地之間存在3 300 pF的Y電容，起抑制自身MOSFET產(chǎn)生的共模電流的作用。然而在整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，該電容成為了干擾傳播路徑上的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此在保證電源正常工作的前提下，去掉了該Y電容。變壓器原副邊之間沒有Y電容之后，高頻下原副邊之間的阻抗會(huì)增大，從而對(duì)低壓輔助電源EMI起到抑制效果。

在對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化之后，可以在圖5的O點(diǎn)處或者M(jìn)點(diǎn)處增加濾波電路。本文在低壓輔助電源線上增加了一個(gè)簡單的濾波電路，主要包含一個(gè)2 mH的差模電感，一個(gè)10 μF的X電容和8 mH的共模電感。電路拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 濾波電路拓?fù)?/p>

由于優(yōu)化變壓器已經(jīng)能給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI帶來較好的改善，新增的濾波電路可以達(dá)到低成本和小體積的目的。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 共模電路模型的驗(yàn)證

本研究在Matlab中，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器共模電路模型進(jìn)行仿真，可以得到LISN的時(shí)域下共模電壓，對(duì)該電壓做FFT變換，得到共模電壓頻譜，將實(shí)測頻譜包絡(luò)線和仿真頻譜包絡(luò)線進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖7所示。

圖7 低壓輔助電源線共模電壓的測試和仿真結(jié)果

由圖7可以看出：仿真結(jié)果和測試結(jié)果吻合的很好，所建立的共模電路模型是較為準(zhǔn)確的。

6.2 低壓輔助電源線干擾抑制效果

本研究將開關(guān)電源中的Y電容去掉，對(duì)低壓輔助電源線上的EMI進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 變壓器優(yōu)化后干擾抑制效果

去掉變壓器中的Y電容后可以看到，干擾明顯下降，在100 kHz頻段附近的干擾下降了近20 dBuV。再將設(shè)計(jì)的濾波器接入低壓輔助電源線上，可以看到，經(jīng)過綜合抑制手段之后，干擾在10 kHz～10 MHz頻段范圍內(nèi)被抑制到60 dBμV以內(nèi)，如圖9所示。

圖9 綜合抑制后效果對(duì)比

7 結(jié)束語

本文對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器高壓側(cè)和低壓側(cè)之間干擾問題進(jìn)行了研究分析，在Matlab仿真軟件中建立了準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)器高低壓線耦合回路的共模等效電路模型，在模型中提出了新的干擾傳播路徑，并通過機(jī)殼接地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了干擾傳播路徑和共模電路模型；基于電路模型，筆者對(duì)干擾回路中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，并針對(duì)關(guān)鍵的變壓器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過實(shí)驗(yàn)證明：干擾回路優(yōu)化配合濾波器的綜合抑制手段有很好的干擾抑制效果，在400 kHz以下頻段干擾電壓下降40 dBμV，高于400 kHz頻段干擾下降也達(dá)20 dBμV。

因此，本文提出的共模模型可以作為伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)系統(tǒng)EMC問題的參考，變壓器優(yōu)化手段也可以應(yīng)用在同類產(chǎn)品上。