基于GJB151B的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng) 電磁兼容性研究

郭 嘉，高俊東，楊 璞，李 凱

(1.中國船舶重工集團七五零試驗場，昆明 650051； 2.北京元六鴻遠電子科技股份有限公司，北京 102600)

0 引 言

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)是比較典型的強電和弱電配合工作的機電一體化系統(tǒng)，強電和弱電本身是不相容的，但又必須在同一個系統(tǒng)工作，這就是電磁兼容成為機電一體化系統(tǒng)能否可靠運行的一個關(guān)鍵性問題[1]。由于永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的電力電子變換裝置無論數(shù)量還是功率都遠遠超過其它艦船類設(shè)備，因此電磁兼容問題的嚴重性和復(fù)雜性也遠高其它艦船類設(shè)備。從目前已有的艦船類組件/設(shè)備的電磁兼容測試過程來看，大部分設(shè)備都是經(jīng)過多次整改才能夠達到GJB151B-2013的要求。本文對艦船設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性的研究也是始于基于國軍標GJB151B對驅(qū)動系統(tǒng)的測試。

GJB151B中測試項目對各安裝平臺的適用性規(guī)定：安裝平臺為水面艦船和潛艇的測試項目共10項，CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103[2]，即分別從電源線的傳導(dǎo)發(fā)射、電場磁場輻射發(fā)射、電源線傳導(dǎo)敏感度、電場磁場敏感度做出專項測試。

1 驅(qū)動系統(tǒng)工作原理

工作原理圖如圖1，母線電壓由動力電池提供，采用直流220VDC電壓體制，為驅(qū)動電機(PMSM電機)提供能源，而電機控制器的輸入供電是設(shè)備供電28 V，它與母線電壓是獨立的，電機控制器內(nèi)部的二次電源(DC/DC模塊)將設(shè)備供電28 V轉(zhuǎn)換為控制電路和通信所需的低電壓，控制器外部通信接口有CAN和以太網(wǎng)，通過CAN口接受來自航行控制系統(tǒng)的指令，以經(jīng)典SVPWM算法實施電機的正弦波驅(qū)動：

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

2 騷擾機理分析

2.1 IGBT的噪聲對電源的耦合

圖2 二次電源硬件組成

控制器二次電源由多組5 W的DC/DC電源模塊組成，另外，增加1路1 W的5 V轉(zhuǎn)5 V的小功率模塊專供CAN通信，IGBT驅(qū)動電源為雙極性電源(輸出：+15 V/-8V)。

這種5 W的電源模塊尺寸做到小型化，體積僅有25.4×12.7×10 mm，重量8 g，內(nèi)部電氣間隙大幅減小，這為干擾注入到了電源輸入側(cè)提供了可能。

IGBT驅(qū)動電源在開關(guān)的瞬間會在+15 V和-8 V輸出端形成尖峰電流，其尖峰電流包括過沖電流和IGBT柵極的灌入電流，且隨著電機輸出功率的增加，尖峰電流會變大，尖峰電流會反映到模塊的輸出電壓上，即輸出出現(xiàn)一定幅度的電壓波動，盡管這種波動還不會影響到lGBT驅(qū)動芯片的正常工作。

IGBT的這種開關(guān)噪聲會注入到驅(qū)動電源模塊的輸出端，而模塊內(nèi)部的變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)存在分布電容，二次側(cè)的高頻電壓可以通過這些分布電容耦合到一次側(cè)上，進一步傳導(dǎo)和擴散，如圖3所示。

圖3 IGBT開關(guān)噪聲

另外，電源模塊周邊的電磁環(huán)境會惡化，即對外空間輻射，盡管模塊的外殼采用金屬材質(zhì)能提高屏蔽效能，但模塊的管腳存在很強的天線效應(yīng)，向周圍空間呈現(xiàn)較強的電場輻射。

3.3 V為主控芯片工作電壓，它是由5V電源經(jīng)LDO轉(zhuǎn)換得到的，按圖4所示，控制電源+5V1已被注入噪聲，而+5V1電源通過共地阻抗傳導(dǎo)發(fā)射至3.3V電源，如圖5所示。

圖4 噪聲通過模塊之間的路徑

圖5 3.3V電源疊加的開關(guān)噪聲

噪聲的產(chǎn)生與IGBT的開通和關(guān)斷同步，IGBT在導(dǎo)通瞬間會產(chǎn)生一個上的電壓尖峰，在關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生一個向下的電壓尖峰在電源上都有體現(xiàn)，如圖6所示，理論上要求這種波動越小越好，但由于5 W的功率模塊由于體積的限制，爬電距離、電氣間隙(內(nèi)部變壓器一次到二次間隙)不夠，這種電壓波動很容易耦合到電源輸出端。

圖6 3.3V電源與PWM波形

2.2 IGBT的噪聲對CAN總線的耦合

電機控制器是通過CAN總線接入艦船的通信網(wǎng)，CAN通信供電采用1 W的隔離非穩(wěn)壓電源模塊(見圖2)，并且CAN控制芯片與CAN驅(qū)動之間采用了光耦隔離，從硬件上來說有一定的抗干擾措施，但在實際工作中，發(fā)現(xiàn)IGBT的開關(guān)噪聲依然疊加在了CAN總線上，如圖7所示，噪聲的周期為20 kHz。

圖7 CAN報文上疊加的開關(guān)噪聲

若疊加的干擾電平幅值過高，會導(dǎo)致該節(jié)點進入總線錯誤狀態(tài)(包括主動錯誤與被動錯誤)，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)總線關(guān)閉狀態(tài)，即電機控制器節(jié)點脫離總線，不能發(fā)送和接受任何報文。

2.3 晶振輻射

電機控制器內(nèi)部CPU的晶振采用30 MHz無源晶振，經(jīng)CPU片內(nèi)PLL倍頻后產(chǎn)生150 MHz的工作時鐘。

30 MHz晶振測試波形如下圖，該波形具有較慢上升/下降時間的振蕩器，呈現(xiàn)了較好的EMI特性。

圖8 CPU晶振波形(30MHz)

但是，由于晶振在PCB上的走線處于表層，騷擾可以通過臨近的走線和電源線耦合到其他單板和電纜，而且沒有物理連接點的晶振金屬外殼通過對地分布電容變成天線，容易通過空間直接輻射到電機控制器的殼外引起輻射發(fā)射超標，如圖9(a)所示。

在晶振的外殼上用銅箔進行局部屏蔽和接地處理后重新測試，輻射降低了38dB，如圖9(b)所示。

圖9 晶振輻射

2.4 電源模塊自身輻射

電機控制器內(nèi)部的電源模塊眾多，電源模塊在提供各種等級電壓的電源的同時，也會產(chǎn)生很強的輻射。電源模塊除了開關(guān)管等輻射源直接通過具有天線效應(yīng)的管腳向外輻射以外，還有電源的控制電路、變壓器、電感等直接向空間輻射電磁能量，因此，電源模塊的外殼是金屬會起到一定的屏蔽效果。

電源模塊為做到小型化、高功率密度，內(nèi)部的開關(guān)管工作的頻率較高，一般為300 kHz～500 kHz，產(chǎn)生的脈沖電流和電壓具有很豐富的高頻諧波，如圖10所示，這是用近場探頭結(jié)合頻譜分析儀在電源模塊周邊測量到的輻射強度，可以看到10次以下的諧波輻射強度都是較大的。

圖10 電源模塊輻射的高頻諧波

傳導(dǎo)干擾是通過電源輸入線向外傳播，有差模和共模干擾，共模會比差模產(chǎn)生更強的輻射干擾。由于共模干擾的產(chǎn)生是電源與大地之間有分布電容，圖10中的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，從而產(chǎn)生共模干擾，又可以耦合到其它導(dǎo)線上，如動力220 V直流母線上。

3 電磁兼容性測試

GJB151B對軍用設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁要求和測量方法做了詳細規(guī)定，艦船類測試項目共10項目，如表1所示。本文結(jié)合上述的騷擾機理重點對CE102、RE101、RE102這幾項做出論述。

表1 電磁兼容測試項目

CE101：電機控制器對于這一頻段的傳導(dǎo)干擾幾乎不存在，如圖11所示，這一項測試比較容易通過。

圖11 CE101(25Hz-10kHz電源線傳導(dǎo))測試

分別對直流220 V母線和設(shè)備供電28 V做CE102測試，發(fā)現(xiàn)電源模塊的高頻諧波在28 V和220V直流母線上都存在，趨勢較為接近，這是比較典型的電源共模干擾。

另外，CE102的測試結(jié)果對RE102低頻段測試有著直接影響，完全可以通過CE102測試結(jié)果大致反應(yīng)RE102在低頻10 MHz以前的測試趨勢。圖12中，驅(qū)動系統(tǒng)在CE102傳導(dǎo)測試的噪聲高點在1 MHz附近，圖14中，驅(qū)動系統(tǒng)的RE102測試表示1 MHz附近的噪聲輻射也是最大的。

圖12 CE102測試(直流220V母線)

圖13 CE102測試(設(shè)備28V)

圖14 RE102測試

RE101磁場輻射發(fā)射，頻段為25 Hz～100 kHz，而驅(qū)動系統(tǒng)的IGBT的PWM頻率為10 kHz，其基波和10次以下的諧波都在這個頻段，圖15表明，驅(qū)動系統(tǒng)的IGBT開關(guān)噪聲引起的輻射強度是比較大的。

圖15 RE101測試

4 解決辦法

我們在對驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容摸底測試中發(fā)現(xiàn)，在不施加任何濾波和屏蔽措施的情況想通過各項測試是很困難的，尤其是CE102和RE102這兩項(第3節(jié)我們給出的部分測試曲線都是在整改措施之后的測試結(jié)果)。我們的技術(shù)方案還得從電磁干擾的三要素(騷擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備)從這幾方面入手。

4.1 抑制傳導(dǎo)干擾

為減少傳導(dǎo)干擾，應(yīng)用中我們針對IGBT的開關(guān)噪聲(基頻和10次以內(nèi)的諧波)設(shè)計了專用濾波器，它具備很高的差模插入損耗，如圖16所示，10 kHz～100 kHz之間的插損不低于45dB，能有效降低了通過直流母線對外的傳導(dǎo)干擾和電磁發(fā)射強度。

圖16 220V直流母線濾波器

另外，在設(shè)備供電28 V的電源輸入側(cè)設(shè)計了工作原理類似的濾波器，但該28 V濾波器的中心頻率是能覆蓋到電源模塊的開關(guān)頻率和高次諧波，這就降低了驅(qū)動系統(tǒng)通過設(shè)備28 V電源線對外的傳導(dǎo)干擾和電磁發(fā)射強度。

使用上述濾波器時，我們應(yīng)當注意的是：應(yīng)對各相電源線對地電容量加以限制，因為這類濾波器通過接地面為共模電流提供低阻抗通道，使這種電流可能耦合到同一接地面的其它設(shè)備中[3]。

4.2 抑制輻射干擾

針對RE102超標的情況，針對驅(qū)動系統(tǒng)的電機本體部分我們采取的措施：將電機外殼形成一個良好的密封體實現(xiàn)屏蔽的完整性，防止電磁泄漏，再通過多點接地的方式將電機屏蔽外殼與船體可靠接地，可以有效降低電機的電磁輻射水平[4]。

針對驅(qū)動系統(tǒng)的控制部分，常規(guī)處理措施(外部的屏蔽電纜和接地等)的效果很有限，我們利用頻譜儀加上場探頭對控制部分的各個元器件進行測試，尋找輻射源對應(yīng)的電路和器件，有的放矢，就近采取屏蔽或切斷耦合路徑，效果更加明顯。

5 結(jié) 語

永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)是艦船最強的電磁騷擾源之一，它最主要的干擾頻段位于5kHz～300MHz，這覆蓋到了很多艦船水聲通信設(shè)備的工作頻段，處理不好會嚴重影響其它系統(tǒng)的正常工作和自身的可靠性。

鑒于這類電磁兼容問題的重要性，本文詳細論述了艦船驅(qū)動系統(tǒng)的電磁騷擾機理，給出了問題的解決辦法和部分基于GJB151B的電磁兼容測試結(jié)果，對于其它類型的電驅(qū)動系統(tǒng)同樣具有借鑒意義。