一种电机驱动系统共模电磁干扰滤波器的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电机驱动系统共模电磁干扰滤波器。
【背景技术】
[0002] 电磁兼容问题广泛存在于各类电气系统中，在电力电子设备及系统中尤为突出。 为抑制功率器件高频开关动作带来的电磁干扰传导发射，通常需要安装电磁干扰滤波器， 以下简称EMI滤波器。目前，常用的EMI滤波器设计方法包括：
[0003] 1.通过试验反复尝试不同元件参数
[0004] 该方法目前最为常用，优点在于设计效果一目了然。但缺点也很明显，即设计结果 来自试凑，既不能保证设计速度，又不能保证设计是否最优。
[0005] 2.基于滤波器转折频率的设计方法
[0006] 该方法首先确定不安装滤波器条件下，电磁兼容测试中检测到的电机驱动系统干 扰幅度，然后用此幅度与电磁兼容标准规定的极限值比较，确定需要抑制的干扰幅度，即所 需滤波器插入损耗。该方法的核心在于确定滤波器的转折频率一一根据欲设计滤波器的拓 扑结构和阶数，在对数坐标系上绘制插入损耗曲线，以及一族斜率为20n dB/dec的直线， η为滤波器阶数，这一族直线中必有插入损耗曲线相切的直线，其与坐标系横轴的交点即为 索要设计滤波器的转折频率。根据这个转折频率设计滤波器参数值。
[0007] 该方法存在以下问题：
[0008] (1)设计中仅考虑了滤波器自身的转移特性，而没有考虑系统阻抗对插入滤波器 后整个系统转移特性的影响，这会导致滤波器过设计，不适用于体积空间限制较为严苛的 应用条件；
[0009] (2)设计针对的滤波器拓扑是设计前根据经验确定的，并不一定是最适合系统的 拓扑。
[0010] 3.基于插入损耗的设计方法
[0011] 该方法考虑干扰源阻抗，根据滤波器插入损耗表达式来设计滤波器参数，能够避 免滤波器过设计。但仍存在问题：
[0012] 推导插入损耗表达式需要具备良好的电路理论知识，特别是当面对电机系统这种 阻抗特性复杂的系统时，或系统所需滤波器阶数较高时，插入损耗表达式推导困难，方法的 可操作性较差。此外，采用该方法仍然不能直观地选择滤波器拓扑结构，只能采用阻抗失配 原则进行定性选择。
[0013] 电机驱动系统在运行中，会产生明显的共模干扰，且工作电压越高，共模干扰越显 著，需要安装共模滤波器抑制共模传导干扰。传统上，滤波器设计采用不断试错、多轮设计 的方法，成本高、时间长，设计得到的滤波器参数也难以保证最优。目前广泛采用基于转折 频率的滤波器设计方法，这种方法仅考虑了滤波器的转移特性，而忽略了系统固有阻抗，需 多次实验才能确定滤波器参数。为提高滤波效果预测的精确性，可在滤波器设计中考虑干 扰源和干扰负载的阻抗，这类方法能够针对预先指定的、且元件较少的滤波器拓扑计算滤 波元件的参数，但无法选择最优拓扑，且不适用于系统阻抗特性复杂或应用高阶滤波器的 场合。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是克服现有设计方法的缺点，提出一种电机驱动系统共模电磁干扰 滤波器的设计方法。本发明能够使电机驱动系统通过电磁兼容试验传导发射相关测试。
[0015] 本发明基于转移函数设计共模滤波器，在滤波器拓扑选择和参数设计上定量考虑 共模干扰源的特性、干扰传输路径阻抗和敏感设备阻抗，首先确定不同滤波器拓扑的目标 电压转移函数，再采用非线性最小二乘法设计滤波元件值并选择滤波器拓扑结构，能够快 速、准确地设计电机驱动系统共模电磁干扰滤波器。
[0016] 所述共模干扰源是指电机驱动系统中电机控制器输出三相电压的平均值，所述共 模干扰源特性是指共模干扰源电压频谱；
[0017] 所述干扰传输路径是指电机驱动系统电磁兼容测试中流过共模电流的电机驱动 系统部件，包括电机控制器、电机及其部件，或电磁兼容测试设备，包括线路阻抗稳定网络 等；
[0018] 在电磁兼容试验中，所述敏感设备为电磁干扰接收机。
[0019] 本发明具体步骤如下：
[0020] (1)通过计算、仿真或测量得到电磁兼容测试中，线路阻抗稳定网络的阻抗特性和 电机驱动系统部件的阻抗特性：
[0021] 对于由线性时不变无源器件构成的、可以用集总电路表示的电机驱动系统部件和 电磁兼容测试设备，根据其电路结构，应用电路理论，计算得到其阻抗特性，或通过计算机 电路仿真软件仿真得到其阻抗特性，此类设备或电机驱动系统部件包括线路阻抗稳定网络 等。对于不满足上述条件的电机驱动系统部件或电磁兼容测试设备，通过阻抗分析仪、LCR 表等阻抗测量设备，测量得到其阻抗特性。
[0022] 线路阻抗稳定网络是电机驱动系统电磁兼容测试中的主要测试设备。线路阻 抗稳定网络是一个三端口网络，端口 1与供电电源并联，端口 2与被测设备并联，端口 3 连接用来测量传导发射的输入阻抗为50Ω的电磁干扰接收机。在不同的电磁兼容标准 中，线路阻抗稳定网络的名称不同，常见的有：线路阻抗稳定网络，英文Line Impedance Stabilization Network，简称LISN;人工电源网络，英文 Artificial Mains Network，简称 AMN ;人工网络，英文 Artificial Network，简称 AN。
[0023] 所述电机驱动系统部件是指对电机驱动系统电磁兼容测试结果有影响的部件，主 要包括直流和交流动力电缆、电机控制器、电机等。
[0024] (2)任取共模电磁干扰滤波器的元件参数，通过仿真得到电机驱动系统插入不同 拓扑的所述滤波器时，从干扰源到电磁兼容测量装置的干扰电压转移曲线：
[0025] 针对待选择的不同拓扑的共模电磁干扰滤波器，在计算机电路仿真软件中分别设 置各滤波器的仿真模型，并根据待设计滤波器与电机驱动系统及线路阻抗稳定网络的电路 连接关系，在仿真软件中将滤波器分别与干扰源及电机驱动系统部件连接，通过仿真软件 提供的交流分析功能，得到从干扰源电压到电磁干扰接收机检测出的共模电压的电压转移 函数。
[0026] 所述待选择的滤波器拓扑结构包括：电感-电容滤波器，即LC型滤波器、电容-电 感滤波器，即CL型滤波器、电感-电容-电感滤波器，即LCL型滤波器、电容-电感-电容 滤波器，即CLC型滤波器等。
[0027] 所述系统部件的阻抗特性为步骤（1)中得到的阻抗特性，包括线路阻抗稳定网络 阻抗特性，电机阻抗特性，电缆、母线排等电气互联结构的阻抗特性等。
[0028] 所述干扰源为电压源、电流源或其组合。
[0029] 所述干扰电压转移曲线是指电磁干扰接收机检测到的共模电压VEMI与干扰源电压 VCM比值对数化后的结果，记为H d。，如下式所示：
[0031] 其中，f是频率，201g(·)为20倍的以10为底的对数。
[0032] (3)根据步骤⑵得到的干扰电压转移曲线Hd。，写出以复频率s为自变量的包含 待定参数的电压转移函数表达式：
[0033] 所述电压转移函数表达式的通式为
[0035] 式中，。和f\n分别为该式分子的第m个和第η个待定转折频率，f Βι1和fBi]分别 为该式分母的第i个和第j个待定转折频率，1为复频率s的指数，M、N、I、J分别为m、n、 i、j的最大值，分别表示分子分母中一次和二次因式的数量，ΡΑιΠ 1、ΡΑ，η、ΡΒι1、ΡΜ为待定常数， s为复频率，其与频率f的关系为：
[0036] s = j · 2 π f (3)
[0037] 式中j为虚数单位。
[0038] 确定以复频率s为自变量的，包含待定系数和待定转折频率的电压转移函数表达 式的方法为：
[0039] 将步骤（2)得到的干扰电压转移曲线绘制在正交坐标系上，其中纵坐标为Hd。，横 坐标为频率，纵坐标为线性坐标，横坐标为对数坐标。根据低频段斜率k确定分子上复频率 s的指数1的值：
[0041] 根据斜率随频率的变化，确定式（2)中表示因式数量的变量I、J、M、N的值，斜率 变化的频率为转折频率。当斜率减小20dB/dec时，I增加1，对应的转折频率为fBiI，在后续 步骤（6)中可以指定其频率值；当斜率减小40dB/dec时，J增加1，对应的转折频率为fBiJ， 或I增加2,对应2个相等的转折频率，分别为fBiI JP fBiI，在后续步骤（6)中可以指定转 折频率值；当斜率减小20Q/dec时，I增加 a，J增加 β，Q、α、β均为正整数或〇,并满足 下式：
[0042] 20Q = 20 α +40 β (5)
[0043] 对应的转折频率为fBiI，