楊文榮，孫亞男，王子龍，趙明麗

（1. 河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；3. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300162）

隨著中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們對能源短缺和環(huán)境污染等問題越來越重視，電動汽車因擁有高效節(jié)能、環(huán)境友好、噪聲低等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展。電機(jī)控制系統(tǒng)是電動汽車的動力部件，為滿足其高功率和高集成度的發(fā)展趨勢，控制系統(tǒng)中的IGBT 等開關(guān)管的開關(guān)速度會越來越高，導(dǎo)致瞬變的高電壓和大電流出現(xiàn)，并通過電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的分布參數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重的傳導(dǎo)干擾，不僅影響系統(tǒng)內(nèi)部零部件的性能，還會導(dǎo)致其他的零部件及整車的電磁兼容性能變差，甚至影響人身安全[1]。

由于電動汽車電機(jī)控制系統(tǒng)耦合路徑的復(fù)雜性較高，因此建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的預(yù)測模型一直是電動汽車領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。文[2-4]通過分析傳導(dǎo)干擾途徑，在實(shí)驗(yàn)平臺上測量逆變器側(cè)產(chǎn)生的電磁干擾源注入仿真預(yù)測模型中對系統(tǒng)在150 kHz～30 MHz 頻段范圍內(nèi)的共模傳導(dǎo)干擾進(jìn)行分析研究；文[5-6]研究了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的共模傳導(dǎo)干擾的等效電路及預(yù)測模型；文[7-10]研究了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的部件的傳導(dǎo)干擾預(yù)測模型以及改進(jìn)策略；文[11-14]研究了PWM 電機(jī)控制系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾以及抑制措施；Wu[15]等對電機(jī)制動系統(tǒng)中的變頻器進(jìn)行傳導(dǎo)干擾分析并進(jìn)行了優(yōu)化研究。

本文基于電動汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生機(jī)理，建立了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾仿真預(yù)測模型，在國標(biāo)GB/T 18655 零部件傳導(dǎo)干擾規(guī)定的150 kHz～108 MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行仿真分析。在半電波暗室內(nèi)搭建了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾實(shí)驗(yàn)測試平臺，分析比較仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了仿真預(yù)測模型的正確性和有效性。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾理論基礎(chǔ)

1.1 電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中主要的零部件有直流電壓源、直流側(cè)高壓輸入線纜、三相逆變器、三相高壓輸出線纜和電動機(jī)，如圖1 所示。

其中電機(jī)控制器可以分為：（1）逆變器部分即主電路部分，主要部件有IGBT 功率開關(guān)管、反向二極管和寄生電容等。（2）控制器部分，主要有：調(diào)制電路部分，給IGBT 功率開關(guān)管提供控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的電壓脈沖；雙閉環(huán)控制部分，將電機(jī)三相電流解耦，給調(diào)制電路部分提供電壓波形。

本文中的逆變器調(diào)制電路采用空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）技術(shù)，相較于正弦波脈寬調(diào)制開關(guān)損耗小，直流電壓的利用率高，諧波分量小。SVPWM 技術(shù)目的是利用平均值等效原理和6 個非零基本矢量的線性組合得到使電動機(jī)磁鏈軌跡接近于圓形的電壓空間矢量。采用SVPWM 調(diào)制技術(shù)時，逆變器輸出的最大圓形旋轉(zhuǎn)電壓矢量軌跡是6 個基本矢量幅值所組成的正六邊形內(nèi)接圓，輸出的不失真最大相電壓幅值為直流側(cè)電壓的1/ 3 倍。

1.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生機(jī)理

在電機(jī)控制器中，控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的脈沖是由空間矢量脈寬調(diào)制電路輸出的矩形波，高電平矩形波對應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，低電平矩形波對應(yīng)的開關(guān)管關(guān)斷。在三相逆變器電路中共有3 個橋臂6 個開關(guān)管，每個橋臂都有上下2 個互補(bǔ)的開關(guān)管，如圖2 所示，其中用Udc表示直流側(cè)電壓，用Uout表示橋臂上的輸出電壓。由于每個橋臂的2 個開關(guān)管互補(bǔ)，因此當(dāng)開關(guān)管K1導(dǎo)通時開關(guān)管K4關(guān)斷，Uout=Udc/2；反之，開關(guān)管K1關(guān)斷時開關(guān)管K4導(dǎo)通，Uout=-Udc/2。因此，逆變器輸出的相電壓只有±Udc/2兩種電平。開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間決定著矩形波的上升和下降時間，而且開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷均在瞬間完成，時間很短，因此矩形波會出現(xiàn)較大的尖峰dv/dt，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的傳導(dǎo)干擾。當(dāng)波形的上升和下降時間一定時，dv/dt則由電壓大小來決定，本文中的開關(guān)管采用IGBT 開關(guān)管，由于IGBT 開關(guān)管的集電極和發(fā)射極間的電壓脈沖的幅值遠(yuǎn)大于控制IGBT 開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的電壓幅值，進(jìn)而可知電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中三相逆變器的各個IGBT 開關(guān)管集電極和發(fā)射極之間的電壓脈沖是產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的主要干擾源。

圖2 逆變器基本結(jié)構(gòu)圖

2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾預(yù)測模型的建立

2.1 電機(jī)控制器

電機(jī)控制系統(tǒng)主要由開關(guān)管控制電機(jī)系統(tǒng)的性能，且電磁干擾中的干擾源主要來源于逆變器中的開關(guān)管，本文采用雙閉環(huán)矢量控制，實(shí)時控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。矢量控制本質(zhì)是對電機(jī)的定子電流的控制，通過矢量變換實(shí)現(xiàn)對交直軸電流的解耦控制，從而達(dá)到模擬直流電機(jī)的控制方法對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的目的。在矢量控制中，速度參考與速度反饋的差值經(jīng)速度控制器（ASR）調(diào)節(jié)得到交直軸電流給定，通過檢測電動機(jī)的三相電流經(jīng)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的反饋電流，與上面的給定值經(jīng)過電流控制器（ACR）調(diào)節(jié)及派克反變換獲得反饋電壓值，通過SVPWM 技術(shù)產(chǎn)生PWM 信號控制逆變器工作。

2.2 高壓線纜

因?yàn)榧w效應(yīng)的影響，導(dǎo)線中流過較高頻率的電流時，更多的電流會在導(dǎo)線的截面上集中，用d表示距離導(dǎo)線表面的厚度，其計(jì)算公式如式（1），當(dāng)頻率f達(dá)到一定數(shù)值時，即r＞＞d，大多數(shù)電流分布在距離表面深度為d的導(dǎo)體橫截面內(nèi)，式（2）為單位長度導(dǎo)體電阻rd的表達(dá)式[3]。

式中：r、μ、γ為內(nèi)導(dǎo)體半徑、內(nèi)導(dǎo)體磁導(dǎo)率、內(nèi)導(dǎo)體電導(dǎo)率；f為流過導(dǎo)線截面的電流頻率；S為電流的分布面積。

本文電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中高壓線纜采用的是屏蔽線纜，線纜的電阻參數(shù)利用上述公式求得，并采用數(shù)值法求解線纜的電感、電容參數(shù)。通過查閱電纜技術(shù)規(guī)格書可知屏蔽線纜的具體參數(shù)為：內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽層均為銅材料，內(nèi)導(dǎo)體直徑為 9.5 mm，屏蔽層厚度為0.40 mm；內(nèi)絕緣層材料為聚烯烴，厚度為0.85 mm；外絕緣層材料同樣為聚烯烴，厚度為0.55 mm。由于電阻參數(shù)會隨頻率的不同發(fā)生變化，因此在求解電阻參數(shù)時，取傳導(dǎo)電磁干擾的中心頻率54 MHz，再根據(jù)式（2）計(jì)算得到。

逆變器直流側(cè)線纜是2 根平行放置的屏蔽線纜，兩者之間的中心距離為3.5 cm。每根線纜長2 m，將其分成2 段，每段長1 m，在數(shù)值仿真軟件中建立模型如圖3(a)所示，其中一段的等效電路如圖3(b)所示。由于2 根線纜之間的中心距離較遠(yuǎn)，線纜中導(dǎo)體與其屏蔽層構(gòu)成了回路，并且兩回路間的磁耦合很弱，因此忽略了2 根線纜之間的互感。再將2 段相同的等效電路模型級聯(lián)即為逆變器直流側(cè)線纜的等效電路模型。

三相逆變器的交流側(cè)線纜是三根相鄰線纜中心距離為3.5 cm 的平行屏蔽線纜，在數(shù)值仿真軟件中建立模型如圖4(a)所示，三相逆變器交流側(cè)每根線纜長0.8 m，等效電路圖如圖4(b)所示，忽略線纜間的互感。

圖3 直流側(cè)輸入線纜模型

圖4 交流側(cè)輸出線纜模型

2.3 逆變器的寄生參數(shù)

逆變器直流側(cè)的電壓等級越來越高，開關(guān)頻率也越來越高，并且還是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾源的主要部件。因此，在較高頻率下逆變器中存在的寄生參數(shù)不可以忽略不計(jì)。如圖5 所示為簡化的逆變器寄生參數(shù)等效模型。從圖中可以看出寄生參數(shù)主要有逆變器對地的寄生電容Cd、與散熱器間的寄生電容Cg、開關(guān)管的集電極與發(fā)射極之間的極間電容C1。另外，線路中還包含有電感L1、L2和電阻R1、R2。通過E4990A阻抗分析儀中已有的等效電路圖對圖5 中簡化的等效電路圖中寄生參數(shù)直接測量計(jì)算得到。為不影響計(jì)算的參數(shù)的準(zhǔn)確性，將電解電容C0在測量之前拆掉且電解電容C0的值由技術(shù)參數(shù)查詢可得到：（1）首先測量電機(jī)控制器的一個直流電源輸入端與機(jī)殼間的阻抗特性，由圖5 可知端口等效電路圖為RLC 串聯(lián)，通過阻抗分析儀測量計(jì)算可以得出參數(shù)R1、L1、Cd的數(shù)值；（2）測量電機(jī)控制器一個三相輸出端U與機(jī)殼的阻抗特性，通過阻抗分析儀中的等效電路模擬出各個參數(shù)R2、L2、Cg；（3）測量電機(jī)控制器三相輸出端任意兩相如測量U和V兩端口的阻抗特性，通過阻抗分析儀中的等效電路模擬出電阻、電感、電容的值，并根據(jù)R=2R2，L=2L2，C=C1+1/2Cg可得到C1的值。

圖5 逆變器寄生參數(shù)簡化電路圖

2.4 人工電源網(wǎng)絡(luò)

人工電源網(wǎng)絡(luò)又稱線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN，line impedance stabilization network），具有隔離、取樣、阻抗穩(wěn)定的作用，用于汽車產(chǎn)品測量的人工電源網(wǎng)絡(luò)有一個標(biāo)稱為5 μH 的電感，其電路圖如圖6 所示，此人工電源網(wǎng)絡(luò)的頻率上限可以達(dá)到108 MHz，滿足GB/T 18655 的要求。

圖6 用于汽車產(chǎn)品測量的人工電源網(wǎng)絡(luò)電路圖

3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾仿真與實(shí)驗(yàn)分析

在仿真軟件中搭建了電機(jī)控制系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的各個模塊的預(yù)測模型并將其連接，如圖7 所示，整個電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為被測設(shè)備（EUT），由正負(fù)極的2 個人工電源網(wǎng)絡(luò)輸出干擾信號。在半電波暗室內(nèi)搭建了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾實(shí)驗(yàn)測試平臺，如圖8 所示。

為驗(yàn)證預(yù)測模型的有效性，仿真輸出了正負(fù)極2個LISN 端的干擾電壓的頻譜圖，并與實(shí)驗(yàn)測試圖進(jìn)行對比，圖9 為電源正極仿真圖與實(shí)驗(yàn)圖，圖10 為電源負(fù)極仿真圖與實(shí)驗(yàn)圖。

圖7 電機(jī)控制系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的預(yù)測模型

圖8 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾實(shí)驗(yàn)布置圖

圖9 高壓電源正極仿真及實(shí)驗(yàn)頻譜圖

由圖9 和圖10 可以看出在GB/T 18655 規(guī)定中的傳導(dǎo)干擾頻率范圍150 kHz～108 MHz 內(nèi)，建立的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的仿真預(yù)測模型所輸出的系統(tǒng)的正負(fù)極電壓頻譜圖與實(shí)驗(yàn)測試圖的整體變化趨勢基本一致。為獲得系統(tǒng)良好的電磁兼容性，需要針對出現(xiàn)毛刺尖峰的頻段進(jìn)行定性分析。從圖中可以看出高壓電源正極仿真圖的每個頻段的尖峰與實(shí)驗(yàn)測試圖對比最大誤差大約為20 dBμV；高壓電源負(fù)極仿真圖的每個頻段的尖峰與實(shí)驗(yàn)測試圖對比最大誤差大約為14 dBμV。但從整體上看，實(shí)驗(yàn)測試圖與仿真圖之間的誤差均在可以接受的范圍內(nèi)，進(jìn)而證明了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾仿真預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和有效性。

圖10 高壓電源負(fù)極仿真及實(shí)驗(yàn)頻譜圖

4 結(jié)論

本文介紹了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生機(jī)理，分析了系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的主要干擾源，并將整個系統(tǒng)作為被測設(shè)備建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的仿真預(yù)測模型，獲得了系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾頻域波形圖。為了證明電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾仿真預(yù)測模型的正確性和有效性，在半電波暗室內(nèi)搭建了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾實(shí)驗(yàn)測試平臺，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)兩者電壓頻譜圖整體變化趨于一致。

通過本文的仿真預(yù)測模型可以在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)正向開發(fā)的設(shè)計(jì)階段預(yù)測系統(tǒng)的電磁兼容性，為定性分析系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾及超標(biāo)頻段的抑制奠定基礎(chǔ)，從而避免工程實(shí)際中后期整改工作的復(fù)雜性和成本的增加。