無刷直流電機(jī)控制器電磁干擾仿真

文/劉崇俊

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司 上海市 201702）

隨著新能源車的發(fā)展，電機(jī)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而電機(jī)系統(tǒng)的電磁干擾問題越來越嚴(yán)重，成為一個(gè)亟待解決的難題。傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，更多的偏向于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，缺乏正向設(shè)計(jì)的有效方法。本文基于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)輻射干擾超標(biāo)的案例，應(yīng)用電磁兼容仿真方法，研究正向解決電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的方法。本文期望根據(jù)測試數(shù)據(jù)找到了電磁干擾的源頭，通過控制信號的理論分析尋找到可能的解決方案，結(jié)合理論分析應(yīng)用仿真軟件嘗試不同的解決思路，找到一種有效降低電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的措施，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)電磁干擾的正向設(shè)計(jì)。

1 問題提出

某無刷直流電機(jī)控制器輻射發(fā)射（RE）測試時(shí)發(fā)現(xiàn)AM頻段（0.5MHz-1.8MHz）電磁干擾嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖1。排查發(fā)現(xiàn)該頻段的干擾主要來自BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊通過脈寬調(diào)制（PWM）信號驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頻率為20kHz?？刂齐娐访恳唤M有三個(gè)Pin與外面相連用于控制三相無刷直流電機(jī)[1]。

2 脈寬調(diào)制信號及對應(yīng)頻譜介紹

2.1 脈寬調(diào)制信號

2.2 PWM梯形脈沖對應(yīng)的頻譜

PWM梯形脈沖為周期信號且滿足狄里赫條件，從傅里葉技術(shù)可知PWM梯形脈沖為很多個(gè)頻率為f整數(shù)倍的正弦波組成。下面將用傅里葉級數(shù)基本公式推出PWM梯形脈沖頻譜的包絡(luò)線公式，直觀地看出梯形脈沖波形各個(gè)參數(shù)對各個(gè)諧波頻點(diǎn)值的影響。

由傅里葉級數(shù)定義，可知PWM梯形脈沖可以以下面形式表達(dá)[3]：

圖1：輻射發(fā)射測試頻譜

圖2：整改前仿真電路

圖3：仿真頻域波形

為了方便分析和計(jì)算，可以假定Tr=Tf，公式（2）將變形為：

將fn=nf0=n/T,ω0=2π/T帶入式（3）可得：

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，汽車電子控制器常用的是電壓控制PWM，通過固定頻率，更改占空比的方式驅(qū)動(dòng)Mosfet來控制不同類型負(fù)載的輸出[2]。應(yīng)用于汽車控制器常見的PWM輸出波形一般為周期性的梯形脈沖波，每個(gè)脈沖由幅度Us，脈沖上升時(shí)間Tr，脈沖下降時(shí)間Tf，脈沖寬度Tw和周期T組成。頻率f0=1/T,占空比Td=Tw/D。

可得梯形波頻譜的包絡(luò)值為：

對式（6）進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算得：

由式（7）可以看出對應(yīng)的頻率與包絡(luò)幅值（dB）之間的關(guān)系。梯形脈沖波的高頻分量主要取決于脈沖的上升/下降時(shí)間，即為PWM的轉(zhuǎn)換速率。從理論上可以看出較快PWM轉(zhuǎn)換速率將會(huì)增加高頻能量以及上幅值[4]。

3 電磁干擾仿真分析

3.1 整改前電磁干擾仿真

根據(jù)BLDC電機(jī)控制電路，搭建芯片、MOSFET、電機(jī)和走線模型，最終得到仿真電路如圖2。該系統(tǒng)使用12V供電，場效應(yīng)管的寄生參數(shù)會(huì)對仿真結(jié)果造成影響，仿真電路中使用了場效應(yīng)管的模型。場效應(yīng)管（MOSFET）控制信號模型，該部分主要是為了模擬真實(shí)情況下對場效應(yīng)管（MOSFET）的驅(qū)動(dòng)情況，同時(shí)是為了在仿真前，復(fù)現(xiàn)真實(shí)的控制規(guī)律。另外印制電路板走線是不可忽略的因素，所以仿真電路中提取了印制電路板的S參數(shù)來表征其走線特性。電機(jī)模型是整個(gè)電機(jī)控制器的負(fù)載，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)電機(jī)也是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源，但電機(jī)模型無法直接得到，所以此處通過真實(shí)的測量參數(shù)來進(jìn)行表達(dá)[5]。

控制信號在整個(gè)BLDC驅(qū)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是輻射產(chǎn)生的源頭之一。控制信號是仿真可靠的前提，但真正決定仿真準(zhǔn)確度的是電機(jī)的電流，因?yàn)樵撾娏骶哂须娏鞔?，紋波雜，變化快等強(qiáng)電磁干擾源所具有的特點(diǎn)，通過圖2仿真得到電流波形。為了與EMC實(shí)際測量的頻譜比較，需對仿真得到的時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉(FFT)變換。選取三相中任意一相的時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換后的頻譜如圖3所示。

從圖3中可以清晰的看到20kHz的諧波，這一結(jié)果和實(shí)測時(shí)存在20kHz的諧波是一致的。

3.2 仿真分析

通過上面的仿真分析發(fā)現(xiàn)，20kHz的諧波是造成輻射發(fā)射嚴(yán)重超標(biāo)的原因，從前面理論分析可以知道PWM波形的高頻分量主要取決于脈沖的上升/下降時(shí)間，降低PWM上升/下降時(shí)間將會(huì)減小其電磁輻射。為此提出了一種整改方案，在電機(jī)的每一相上面串入一個(gè)LC濾波器，這樣設(shè)計(jì)主要考慮LC濾波電路能夠?qū)⒔涣鞲蓴_信號大部分通過電感吸收變成磁感和熱能，而電容又可以進(jìn)一步降低PWM上升/下降時(shí)間，這樣就可以起到抑制干擾的作用[6][7]。

圖4：仿真頻域波形（L=0.47uH,C=1uF）

圖5：C=1uF，不同電感值的輻射頻譜對比圖

圖6：L=3.3uH，C=10uF電磁干擾測試結(jié)果

考慮到超標(biāo)集中在500kHz之后，結(jié)合器件參數(shù)，根據(jù)LC濾波器截止頻率的公式計(jì)算[8]。選用L=0.47uH,C=1uF，將LC濾波電路放在Snubber電路后，仿真結(jié)果如圖4所示。

通過圖4仿真結(jié)果可知，增加濾波設(shè)計(jì)后電磁干擾在低頻段的強(qiáng)度有明顯降低，尤其在最關(guān)心的AM頻段（0.5MHz-1.8MHz）。控制電容為1uF，改變電感值，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5中，如右上角圖例所示，綠色曲線是L=0.47uH,C=1uF的頻譜；藍(lán)色曲線是L=1uH,C=1uF的頻譜；褐色曲線是L=3.3uH,C=1uF的頻譜；通過上圖可以得到的結(jié)論是：電容一定，增大電感能有效降低電機(jī)控制器的電磁干擾。在另一組仿真中發(fā)現(xiàn)，電感一定，增大電容也能有效降低電機(jī)控制器的電磁干擾。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上面的仿真結(jié)果，對樣品進(jìn)行整改，由于實(shí)際整改時(shí)受到器件參數(shù)，器件備料，器件封裝等多方面因素的限制，本文選取仿真結(jié)果介于中間的C=10uF作為典型分析參數(shù)來展開驗(yàn)證。即限制C=10uF，依次調(diào)整L的大小來測試優(yōu)化效果。實(shí)驗(yàn)中，控制電容始終保持10uF，依次增大電感，測試結(jié)果不斷得到優(yōu)化，這與圖5中電容一定，增大電感能有效降低電機(jī)控制器的電磁干擾的仿真結(jié)果一致。最終，使用L=3.3uH，C=10uF，產(chǎn)品20kHz諧波幅度減小，輻射干擾大大降低，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品順利通過測試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。如圖6所示。

5 結(jié)論

通過理論分析和仿真可以看出，減緩PWM轉(zhuǎn)換速率，即增加PWM的上升和下降時(shí)間，能夠明顯的降低電機(jī)控制系統(tǒng)在低頻的輻射發(fā)射值，增加LC電路是解決電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的有效方案。本文嚴(yán)格體現(xiàn)了仿真指導(dǎo)實(shí)際，實(shí)際驗(yàn)證仿真的思路。在仿真的指導(dǎo)下產(chǎn)品可以順利通過測試，真正體現(xiàn)了仿真的實(shí)用價(jià)值和預(yù)測作用，進(jìn)一步驗(yàn)證了通過電磁兼容仿真實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的可能性。