1、无刷直流电机控制器的电磁兼容设计杨奎滨，朱建光，陈丽香，张志峰，唐任远(沈阳工业大学，辽宁省沈阳市110870)摘要：g磁-y-g是影响无刷直流电机(BLDC)控制器稳定性的主要因素本文从无剥直流电机的供电电路、控制电路和驱动电路三个方面分析电磁干扰产生的原因，并提出了抑制电磁干扰的方法通过实验验证本文所提出的方法能有效增强系统的抗干扰能力，提高系统的稳定性关键词：无刷直流电机；控制器；电磁干扰；电磁兼容中图分类号： 文献标识码：Electromagnetic compatibility design of BLDC controllerYANG KuibmZHU Jian-guang，CHE
2、N Li-xiang，ZHANG Zhi-feng，TANG Ren-yuan(Shen Yang University ofTechnology,Shen Yang 1 1 0870,China)Abstract：EMI is the main factor whichinfluences the stability of BLDCThis paper analyzes the reasons of causingEMI from the power supply circuit,control circuit and drive eircuR,and puts forward the me
3、thod that can restrain EMITheexperiment results v丽母that the proposed method in this paper availably enhances the anti-disturbance capacity andimproves the stability of the systemKey words：BLDC：controller：EMI：EMC1引言国际标准1EC 60050(161)及国标GBT43652003电工术语电磁兼容对电磁兼容的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的
4、电磁骚扰的能力。”II】电磁兼容设计是控制系统稳定性的关键，设备的可靠运行又取决于该控制系统是否稳定。本文从，r程角度分析了由MC33035为核心控制单元的无刷直流电机控制系统产生电磁干扰的原因，并提出了电磁兼容的设计方法。2电磁兼容的三要素分析电磁兼容(EMC)的设计是针对构成电磁干扰(EMI)的三要素进行的，即电磁骚扰源、传播途径和敏感设备。电磁干扰三要素的关系如图1126所示。BLDC控制系统的电磁骚扰源主要包括供电系统干扰、高频功率开关器件快速通断形成的干扰，以及电动机等感性负载造成的强电干扰。l正E樱二厶右天 I7I丁封火歪1工 I电 II 敏磁 _一 传导耦合： 一 感骚 I 设扰
5、 L一一一一一一一一P 备源 场耦合 ：图I电磁干扰三要素的关系电磁骚扰的传播途径主要是指电磁骚扰信号由骚扰源传播到敏感设备的耦合过程。按照耦合机理，将电磁骚扰的传播途径分为传导耦合和场耦合两人类I 21。传导耦合必须在电磁骚扰源与敏感设备之间有完整的导线连接，电磁骚扰可以通过导线的连接由电磁骚扰源耦合到敏感设备。场耦台是在干扰源与敏感设备之间具有电场、磁场或者电磁波的联系。在控制系统中，各个电子元器件都可能成为被干扰的敏感单元，但只有当干扰源的信号频率超过了电子元器件容许的范围，并且干扰源的信号频率被电子元器件响应时干扰才能发生。3 BLDC供电电路的EMC设计31 EMl分析BLDC供电电
6、路原理如图2所示，BLDC的控制器产生电磁干扰最根本的原因是，在其工作过程中产生很高的和；，由此引起的浪几，11，涌电流和尖峰电压形成干扰源。控制器中整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换都是这类干扰源。BLDC供电电路中电压、电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、IGBT波形等。这些波形的高频信号都对BLDC控制电路的信号造成很大的干扰。从噪声源来说，BLDC供电电路的电磁噪声可以分为两部分。一是外部噪声，如电网传输的共模噪声、差模噪声和外部电磁辐射对控制电路的干扰等。二是供电电路自身产生的电磁噪声，如开关管电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。一一一一 一一I
7、一1r一一一一一=二_一一一一一!I l矿 I y j车 l IAcJf 【q2 i砸 ID5I l? h 本孓 j二H卜l l -j一 I-佘4-l l 二 ：t1一 -C I I 二 ：J二、 l I1 Iy ：kr 孑车 上I卒I2 互锐 王啦 I域I Ikl l I I ；L一一一一一一一一一一一一一J图2BLDC系统原理图BLDC供电电路的电磁噪声类型p1如图3所示，电网中含有的共模噪声和差模噪声对BLDC供电电路产生干扰，供电电路在受到电磁干扰的同时也对电机负载产生电磁干扰，如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰。127图3 BLDC供电电路的电磁噪声类型32 EMC设计BLDC供电
8、电路的EMC设计主要考虑两方面：一是防止供电电路对电网和附近的电子设备产生干扰；二是加强供电电路本身对电磁骚扰环境的适应能力。开关器件开通和关断时，产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。应用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使JII功率因数校正(PFC)技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波，从而降低电流谐波含量，改善桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高电机的功率因数。电源或信号源电源或信号源差模扼流圈图4差模噪声的抑制共模扼流圈3图5共模噪声的
9、抑制差模噪声减少干扰的方法是在信号线和电源线上串联差模扼流圈，并联电容，用电容或电感组成低通滤波器减小高频噪声，阻止干扰电流流入电路，如图4所示。共模噪声，减小干扰的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈，在地与导线之间并联电容器，组成LC滤波器进行滤波器滤除共模噪声，如图5所示。4 BLDC控制电路的EMC设计目前数字芯片的发展趋势为高速度、高频率、低电压和低功耗，但这些是电磁兼容的不利因素。控制系统是BLDC的核心部分，又是弱电电路，且最易受到电磁干扰的影响，因此，控制系统的电磁兼容设计是必要的。V吣BLDC的控制芯片MC33035各种功能的实现均由接口电路完成，接口信号受到干扰将会影响系
10、统的控制效果。接口的干扰来自其传输线，如印制板的电路线设计和电路板与电路板间的连接。常用的传输线有扁平电缆、双绞线和同轴电缆等，从抗干扰的角度看，双绞线是一种抵抗电磁干扰性能较好的传输线，其相交的回路中两线的往返电流感应作用相抵消，作用距离可达10m，可用于电源的输出和输入部分。霍尔元件与MC33035之间用高速光耦HCPL4504隔离，由于光耦的共模抑制比很高，可以有效地防止CPU与霍尔信号之间的共模干扰，霍尔信号的接口电路如图6所示。频率超过30 MHz的射频干扰是通过天线模型进行干扰耦合的，当电缆或导线的物l l理长度恰好是某个干扰频率波长的二或4 时，电缆或导线便成为效率很高的天线。此
11、时，使用屏蔽线会减少辐射干扰。图7和图8给出了由电机引出的霍尔信号线在使用屏蔽线和没有使用屏蔽线的对比波形图。由图可以看出：没用屏蔽线的霍尔信号有明显的小毛刺，使用屏蔽线的霍尔信号小毛刺已被屏蔽。图6霍尔信号接口电路128PCB的抗干扰设对系统的作的稳定性有重要影响。PCB加电后，线路上的lU流将产牛电磁波辐射到空间，lH路中的高速元什、品体振端器臀元器r=也产牛电磁辐射。根据电磁辐射模掣公式=263104(f 2A1)r (1)其t#，E为印制电路板空问，处的辐射场强；，为印制电踣饭上的I。作IU流的撷率：爿为印制电路扳E的环路而积：，为印制电路扳上的电流。kk 儿 H+ 动作， 。睡嗣馆荐
12、到 圃选择文件安锗存囤7没用屏蔽线的霍尔信号谴*kk 儿 M 9。 动作圆措荒 皿工膏圄像t玉择奠件安储存T“”B“图s使用屏蔽线的霍尔信号波*山蛰式l可知：减小r、A、，均能阡低印制IU路扳t的tU场发射。为r巫女f地抑制r扰，印制电路扳fn设Ht应从吼I-h咖考lgfI布线厘则数字信号线和模拟信号线性讣开，强弱信封錾卦升，流电源线JI。，支，发热无什戍远离集成tb路，越性元“韭肝墙；c可个芯片的l乜涮对地端罂有土嘏lU容，jI线耍嫣。(21 PCB的R寸人小噩适中，逻ji兀引要相且靠近，升麻远离产牛干扰的元器什。PCB的仕地线麻尽举橱。这样不仪能蛙少损耗，而且也能减少线的电感分量，从而可以
13、减小儿模r扰。3)设Ff印制线路板时，每个集成电路的lE辣+o地之I目颁加去耦电容。上耦电容的选取可按c=l，f计算，印IOMHz选0l“F。lU隙输入端蹄接】0 u F100 u F的电解电彝。每个集成l乜路芯片都成竹0 0lpF的瓷片1U择。时抗噪能力弱、天断时电泺变化的器件席在芯片的电源线地线直接加世耦ib容。IU容引线小能太K，尤其是高频旁路屯存下能有引线1。5 BLDC驱动电路的E眦设计5l EMl分析rPM内部鼎拘原理翻如罔2所小，IPM由帮流-U躇、滤波-U路剌开戈管lU路目l成。交流jUh经整流桥变成卣流电Jk，撵过滤波肝逆刮IPM电蹄， MC33035按照时序给IPM竹配IG
14、BT导通信号，模块拄照PWM戏输相叱Jh如蹦9所示，其中示波器的C12逋道显小的是IPM删输出的相电仆被彤。PWM侧相电m的输出波形芷梯形波，盟“IGBr的r升时匈自l r肝时州均小J20011s闻此!的较人变化年会产生LMd，1执；leg1-om露目目囱啊叠圈H s!m1jr1口E目q IPM侧输出的相自和相自流波形理论上，由Fourier分析可知，梯形波的n次谐波系数为：C：2A!出型坐旦幽sin(mu，T)(2)j?T zm(to+t，)|1 册lrjl?其中，T、b、，分别为梯形波周期、占空比宽度和上升时间。据理论分析与实验结果可知，IPM供给BLDC的线电压存在着大量的高次谐波，这些
15、谐波将通过电缆或电机的分布参数接地，形成高频电流回路，产生共模电压，这也是造成EMl的主要原因。LNPEIPM和BLDC以及电缆线组成的系统如图10所示。高频时，电缆和BLDC的分布参数不能忽略，如图lO中BLDC定子线圈与其外壳之间的电容、电缆线之间的分布电容以及电缆之间的互感。线电流l含有以下电流成分：工作频率正弦电流、波纹电流、电缆分布参数产生的线间瞬态电流n、线与地之间的电流olg、电机与地的分布电容形成的瞬态电流哪。图9中示波器的CHI通道显示的是PM侧输出的的相电流波形，有图可以看出：工作频率下的正弦电流迭加了许多尖毛刺。图10 IPM模块、电机和电缆组成的系统IPM、BLDC及其
16、控制系统分别接地或者连接在同一个机壳内，地和机壳为高频电流提供了电流同路，并在该同路的电阻上产生了共模噪声电压U啪。图11是IPM中线对地的共模噪声电压波形，共模噪声电压也是EM!产生的主要原因。Tck峥d I l_ 童j量一l o一=童；蕊。i-强土遁帮_，酗+一 订7弱qJUV 、13_枷ch；，I，帅“缝fl!谴舞宅l柏、讳。f均4铺V曲均厶2l 5、图ll BLDC中性点对地的电压波形图130图12屏蔽线与非屏蔽线辐射电压波形52 EMC设计图12给出了连接IPM和BLDC的导线，在使用屏蔽线和不使用屏蔽线时的辐射电压波形对比【41。除了使用屏蔽线可以减少传导性干扰外，使用电源线EMI
17、滤波器可以切断高频电流的回路，有效的减少传导性干扰。EMI滤波器电路如图13所示。图中Cx。和C：叫做差模电容，厶叫做共模电感，CYl和CY2叫做共模电容。EMl滤波器的差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模干扰和共模干扰有较强的衰减作用。O，j、Hz图13 BLDC的EMI滤波器及频率特性曲线6结论BLDC控制器作为电力电子设备，其EMC设计对于保证系统的可靠I：作起关键作用。本文讨论了BLDC控制器的EMC设计，包括供电电路的EMC13l设计、控制电路的EMC设计和驱动电路的EMC设计。在设计BLDC控制器时充分考虑EMC的问题，可以有效地降低设计周期和成本，达到预期稳定运行的要求。参考文献
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19、ications,1993，(7)：138143【4】Gary LSkibinskiEMI emissions of modern PWM ACdrives1EEE Industry App，NovDec，1999：4780【5】俞海珍，冯浩电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用I J】电子机械工程，2004，20(2)：1-4无刷直流电机控制器的电磁兼容设计作者： 杨奎滨， 朱建光， 陈丽香， 张志峰， 唐任远作者单位： 沈阳工业大学，辽宁省 沈阳市 110870本文读者也读过(10条)1. 王军安 嵌入式系统的抗干扰设计会议论文-20032. 傅天煜.王希.杨国辉 隧道式微波加热温度自动控制
20、电路模块的设计会议论文-20103. 李丽娜.戴怡.孙宏昌.LI Lina.DAI Yi.SUN Hongchang 基于Turbo PMAC的开放式数控系统电磁兼容设计期刊论文-机床与液压2011,39(1)4. 唐孝容.汪斌.高宁.谭多望.李剑峰.TANG Xiao-rong.WANG Bin.GAO Ning.TAN Duo-wang.LI Jian-feng 爆轰实验自动电测系统的电磁兼容设计期刊论文-核电子学与探测技术2010,30(5)5. 陈晓磊 计算机主要部件的电磁辐射及电磁兼容性研究学位论文20106. 李广.朱建光.韩雪岩.张志锋.唐任远 内置式永磁同步电动机空间矢量调制的直接转矩控制会议论文-20117. 姜婷婷.李亚洲.安忠良.唐任远 考虑磁路交叉饱和的永磁同步电机电抗参数的研究会议论文-20118. 刘桂芬.张继华.LIU Gui-fen.ZHANG Ji-hua 真空磁力起动器控制单元的电磁兼容研究期刊论文-煤矿机电2008(2)9. 冯艳娜 韶山电力机车控制电路的改进设计学位论文200210. 陈中科.陈丽香.唐任远 永磁无刷直流电动机的噪声振动分析会议论文-2011本文链接：http:/
