伺服驱动器低压辅助电源电磁干扰的抑制研究*

孙 超，陈恒林

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

伺服驱动器主要包含电源模块、驱动模块、逆变模块等。伺服驱动器采用的主要控制方式为脉宽调制(pulse width modulation，PWM)，虽然提高了驱动系统的工作效率，但同时也会引发严重的电磁干扰问题[1-3]。

目前，针对驱动器高压和低压之间干扰耦合问题的研究并不多。文献[4-6]提出了伺服驱动系统电机建模方法，但没有关注驱动器高低压耦合问题和干扰的抑制；文献[7]提出了变频器传导干扰的差模和共模高频模型，但没有分析变频器干扰对低压辅助电源线的影响；文献[8]对辅助电源高频模型进行了建模，但没有分析具体干扰成分和抑制措施。通常工业上采用滤波技术、屏蔽技术和改善控制策略来抑制传导干扰[9-11]，但是并没有针对伺服驱动系统中低压辅助电源干扰的抑制方法。

针对以上情况，本文将以通用伺服驱动系统为研究对象，建立伺服驱动器的高频共模电路模型，提出一条新的干扰传播路径，通过一系列测试证明模型的准确性。

1 伺服驱动系统

本文采用的伺服驱动系统如图1所示。

图1 伺服驱动系统

伺服驱动系统主要包含高压大电源、低压辅助电源、驱动器、电机、上位机PC等几部分。其中，伺服驱动器中存在两套独立的电源系统：高压大电源和低压辅助电源。高压电通过驱动器中的逆变桥给电机供电，低压电通过驱动器中的开关电源给驱动电路、控制电路、其他敏感设备供电。高压侧的开关器件进行高频开关动作产生的干扰会耦合到低压电源线上，进而影响到系统中的敏感设备。

2 伺服驱动器高压侧对低压辅助电源干扰传播路径

为分析伺服驱动器中低压辅助电源线上的干扰，首先需要确定干扰传播回路。高频开关管是整个系统的干扰源，干扰可以从多条路径传播至辅助电源处，如图2所示。

图2 驱动器低压电源干扰耦合途径

通常认为高压侧的干扰耦合到低压侧存在以下3条干扰传播路径：(1)干扰源通过IGBT模块与散热片之间的寄生电容将干扰传播至参考地，再传到辅助电源；(2)干扰源通过电机线缆对地的寄生电容将干扰传播至辅助电源；(3)干扰源通过电机机壳对地寄生电容将干扰传播至辅助电源。

本文建立了驱动器共模电路模型，在模型中提出了一条新的干扰传播主要回路，如图3所示。

图3 驱动器低压线干扰传播主要回路

由图3可以看出：驱动器中IGBT上管的开关电源副边地线直接接到了逆变桥上、下桥臂的中点，驱动器下管IGBT的开关电源副边地线直接接到了逆变电路的负线。因此，高压侧的干扰会通过开关电源副边地线传导至开关电源处，并经由开关电源变压器原副边之间的寄生电容传导耦合至低压辅助电源线上，干扰会经过LISN进入大地，再通过高压大电源线缆对地的寄生参数回到逆变电路的正、负高压线上，从而构成了完整的干扰主要传播回路。

3 伺服驱动系统EMI测试

为验证图3中的干扰传播主要回路，本文针对伺服驱动系统做了实验测试，如表1所示。

电机和驱动器分别处于不同接地条件时，实验(1～4)对低压辅助电源线上的EMI进行测试；实验5对电机线缆在驱动器输出侧和电机输入侧处进行共模电流的测试。

表1 设备不同接地情况

实验(1～4)中，改变电机机壳和驱动器机壳的接地状态，实质是改变了干扰回路中存在的高频阻抗，当壳体不接地时，对应包含该壳体的回路阻抗会增大，如果干扰传播通过了这一壳体，实测的EMI结果应该会减小；反之，干扰传播未通过这一壳体，干扰大小不会有明显变化或者是反而变大。

实验结果如图4所示。

图4 实验结果

从实验1和实验2的结果对比可以看到：驱动器壳体浮地，增大了图2中回路I的阻抗，但是EMI测试结果并没有减小而是增大了，因此回路Ⅰ并不是干扰传播的主要回路；

从实验1和实验3的结果可以看到：电机机壳浮地，增大了图2中回路Ⅲ的阻抗，两次实验测得的EMI大小无明显变化，因此回路Ⅲ也不是干扰传播的主要回路；

从如图4(c)所示的中共模电流的测试结果可以得到：驱动器输出侧共模电流和电机进线侧共模电流基本一致，并没有共模电流通过图2中的回路Ⅱ进行传播，因此回路II不是干扰传播的主要回路。而实验2中驱动器机壳浮地，干扰增大的现象是因为驱动器和电机之间存在干扰耦合的回路，增大驱动器壳体对地的阻抗，等效于增大了驱动器和电机之间阻抗，本应在该回路中传播的干扰通过驱动器中的开关电源耦合到了低压辅助电源线上。

因此，根据以上实验测试结果，可以确认图3提出的干扰传播路径是最为主要的。

4 伺服驱动器高频共模电路模型

基于干扰传播回路的分析，本文建立了伺服驱动系统低压辅助电源共模电路模型，如图5所示。

图5 共模电路模型O点—等效高压正负线；M点—等效低压辅助电源正负线；N点—等效驱动器IGBT上下桥臂中点；G点—等效伺服驱动器机壳即大地；Z1—伺服驱动系统驱动器三相输出侧中点N和高压线中点O之间的阻抗；Z2—三相输出侧中点N和低压线中点M之间的阻抗，主要是逆变桥臂上三管IGBT驱动电路中开关电源的等效阻抗(3个DC/DC并联)；Z3—高压线中点O和低压线中点M之间的阻抗，主要是逆变桥臂下三管IGBT驱动电路中开关电源的等效阻抗(单个DC/DC)；Z4—三相输出侧中点N对散热片的阻抗；Z5—LISN上的标准电阻，由于是共模等效模型，取值即为25 Ω

模型中每个阻抗参数的物理意义如表2所示。

表2 参数说明

5 伺服驱动器低压辅助电源线干扰的抑制

根据共模电路的模型，可以有针对性地对回路中关键参数进行优化，以此起到EMI的抑制效果。本文主要采用了开关电源变压器优化和滤波器设计的综合抑制手段，对低压线上的干扰进行抑制。

在开关电源变压器中，原边和副边的地之间存在3 300 pF的Y电容，起抑制自身MOSFET产生的共模电流的作用。然而在整个伺服驱动系统中，该电容成为了干扰传播路径上的关键参数之一，因此在保证电源正常工作的前提下，去掉了该Y电容。变压器原副边之间没有Y电容之后，高频下原副边之间的阻抗会增大，从而对低压辅助电源EMI起到抑制效果。

在对变压器进行优化之后，可以在图5的O点处或者M点处增加滤波电路。本文在低压辅助电源线上增加了一个简单的滤波电路，主要包含一个2 mH的差模电感，一个10 μF的X电容和8 mH的共模电感。电路拓扑如图6所示。

图6 滤波电路拓扑

由于优化变压器已经能给伺服驱动系统EMI带来较好的改善，新增的滤波电路可以达到低成本和小体积的目的。

6 实验验证

6.1 共模电路模型的验证

本研究在Matlab中，对伺服驱动器共模电路模型进行仿真，可以得到LISN的时域下共模电压，对该电压做FFT变换，得到共模电压频谱，将实测频谱包络线和仿真频谱包络线进行比较，比较结果如图7所示。

图7 低压辅助电源线共模电压的测试和仿真结果

由图7可以看出：仿真结果和测试结果吻合的很好，所建立的共模电路模型是较为准确的。

6.2 低压辅助电源线干扰抑制效果

本研究将开关电源中的Y电容去掉，对低压辅助电源线上的EMI进行测试，测试结果如图8所示。

图8 变压器优化后干扰抑制效果

去掉变压器中的Y电容后可以看到，干扰明显下降，在100 kHz频段附近的干扰下降了近20 dBuV。再将设计的滤波器接入低压辅助电源线上，可以看到，经过综合抑制手段之后，干扰在10 kHz～10 MHz频段范围内被抑制到60 dBμV以内，如图9所示。

图9 综合抑制后效果对比

7 结束语

本文对伺服驱动器高压侧和低压侧之间干扰问题进行了研究分析，在Matlab仿真软件中建立了准确的驱动器高低压线耦合回路的共模等效电路模型，在模型中提出了新的干扰传播路径，并通过机壳接地实验验证了干扰传播路径和共模电路模型；基于电路模型，笔者对干扰回路中的关键参数进行分析，并针对关键的变压器进行了优化设计。

通过实验证明：干扰回路优化配合滤波器的综合抑制手段有很好的干扰抑制效果，在400 kHz以下频段干扰电压下降40 dBμV，高于400 kHz频段干扰下降也达20 dBμV。

因此，本文提出的共模模型可以作为伺服驱动器设计系统EMC问题的参考，变压器优化手段也可以应用在同类产品上。