艦船大功率機電伺服系統(tǒng)電磁兼容綜合控制方法

鄭 波，劉 璐，王 巖，王水銘，李 超

(北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

“全電化”艦船裝備了大量電力電子設(shè)備，且某些設(shè)備功率級別很高，加上艦船錯綜復(fù)雜的電纜網(wǎng)，形成了一個復(fù)雜的電磁場環(huán)境，許多設(shè)備在單機情況下可正常運行，但裝艦后出現(xiàn)與其它設(shè)備同時運行時發(fā)生功能喪失或性能降低的情況。機電伺服系統(tǒng)因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、高比功率、高控制精度、低振動噪聲及高可靠性等突出特點，近年來中小功率機電伺服系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，艦船領(lǐng)域應(yīng)用分布式大功率機電伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)閥控集中式全船液壓伺服系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景，成為實現(xiàn)新一代“全電化”艦船的重要環(huán)節(jié)之一，機電伺服系統(tǒng)本質(zhì)上是對電機的驅(qū)動控制，其輸出功率與負載相關(guān)，設(shè)備運行中電機頻繁換向，功率隨負載動態(tài)變化，因此電磁兼容問題比較凸顯。

電磁兼容控制簡單來說分為2個方面，一方面是消除或抑制設(shè)備自身的電磁干擾，確保設(shè)備不干擾艦上其他設(shè)備；另一方面是增強設(shè)備自身抗干擾能力，抵御艦上復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁干擾，確保設(shè)備自身正常工作。對于艦船大功率機電伺服系統(tǒng)這樣的復(fù)雜機電設(shè)備，需要采用綜合控制方法才能有效地解決電磁兼容問題。

1 電磁兼容綜合控制思路

1.1 艦船電磁環(huán)境特點

電磁干擾按其傳遞方式可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，其中傳導(dǎo)干擾是通過完整的電路或?qū)w來傳遞電磁能量，輻射干擾則是以電磁波的形式通過空間傳播電磁能量。

對于水面艦船，電磁環(huán)境包含露天區(qū)和艙內(nèi)區(qū)。

露天區(qū)電磁環(huán)境具有多輻射源電磁場疊加耦合的特點，其主要發(fā)射源是艦上的各種通信、導(dǎo)航、探測、電子戰(zhàn)發(fā)射天線[1]。

艙內(nèi)區(qū)電磁環(huán)境因素主要包括：設(shè)備外殼電磁密封不嚴或接地不良導(dǎo)致的電場和磁場輻射泄漏；顯示器、電纜網(wǎng)、管路、艙門等電磁屏蔽處理不當或接地不良引起的電磁輻射干擾；各種整流器、逆變電源、開關(guān)電源對電網(wǎng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾以及設(shè)備電源電路設(shè)計不完善造成的對電源網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)干擾等[2]。

而對于水下艦船，電磁環(huán)境主要包含艦面區(qū)域、艙內(nèi)動力/發(fā)電變電設(shè)備布置區(qū)域和艙內(nèi)電子敏感布置區(qū)域。

艦面區(qū)域內(nèi)各種射頻天線集中布置，以電場輻射為主；艙內(nèi)動力系統(tǒng)/發(fā)電變電設(shè)備布置區(qū)域包含各種大功率電力電子變換設(shè)備，電磁環(huán)境惡劣，主要是控制區(qū)域內(nèi)設(shè)備自兼容以及傳導(dǎo)干擾通過電纜和地電流耦合對艦上其他區(qū)域的影響；艙內(nèi)電子敏感設(shè)備布置區(qū)域包含各種敏感電子設(shè)備，電磁環(huán)境較好，主要是解決區(qū)域內(nèi)設(shè)備自兼容及防止外部電磁干擾通過電纜和地電流耦合對該區(qū)域內(nèi)設(shè)備的干擾[3]。

1.2 機電伺服系統(tǒng)電磁環(huán)境特點

機電伺服系統(tǒng)通過功率電傳（Power By Wire，PBW）來實現(xiàn)電能向機械能轉(zhuǎn)化，主要實現(xiàn)方式包括機電靜壓作動器(Electro-Hydrostatic Actuators，EHA)和機電作動器（Electro-Mechanical Actuators，EMA）兩種。EHA通過伺服電機控制雙向恒量泵的轉(zhuǎn)速和方向，由液壓作動器推動負載實現(xiàn)位移和速度控制；EMA通過控制電信號來驅(qū)動控制伺服電機，并通過行星滾柱絲杠等機械傳動裝置來推動負載實現(xiàn)位移和速度控制。

機電伺服系統(tǒng)本質(zhì)上是對電機的驅(qū)動和控制，主要干擾源為高速半導(dǎo)體開關(guān)器件（IGBT），DC/DC模塊和二次開關(guān)電源中的高頻開關(guān)（MOSFET），這些電力電子元件產(chǎn)生的高頻電磁干擾信號又會通過電源電纜傳導(dǎo)方式或耦合輻射方式對系統(tǒng)自身或系統(tǒng)外其它設(shè)備產(chǎn)生高頻電磁干擾。

IGBT正常工作下會產(chǎn)生高速導(dǎo)通和關(guān)斷，因此在電機驅(qū)動系統(tǒng)電路中會產(chǎn)生高頻的du/dt以及其高次諧波；同時又由于整個電機系統(tǒng)電路中存在著大量寄生電容，因此這些寄生電容會被不斷的充放電，進而產(chǎn)生了高頻共模電流，共模電流通過三相線纜、寄生電容、電機外殼與地形成回路，最終導(dǎo)致整個伺服系統(tǒng)的共模干擾[4]。

在電機控制器輸出的高頻驅(qū)動信號作用下，IGBT高速導(dǎo)通和關(guān)斷，使得電機系統(tǒng)的電路中產(chǎn)生高頻的di/dt以及其高次諧波；同時由于整個電機系統(tǒng)電路中存在著大量雜散電感，導(dǎo)致各包括三相線纜和直流線纜在內(nèi)的電回路之間產(chǎn)生較大的電磁干擾，導(dǎo)致了整個系統(tǒng)差模干擾的產(chǎn)生[4]。此外，電機運行過程中激勵電流作用在繞組、永磁體及雜散電感上，還會產(chǎn)生低頻電磁干擾。

DC/DC模塊及二次電源多采用MOSFET作為功率開關(guān)器件，功率MOSFET，整流二極管和濾波電容構(gòu)成的高頻電流回路產(chǎn)生的磁場輻射，連接功率MOSFET的漏極，整流二極管的陽極和電感的高du/dt 導(dǎo)體產(chǎn)生的電場輻射，也會以產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾通過輸入輸出線向外傳遞[5]。

1.3 電磁兼容設(shè)計通用方法

談到電磁兼容的設(shè)計，就必須提到電磁兼容三要素，即電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。在電磁兼容設(shè)計時，要從上述3個要素分析，分別采取針對性措施，才能有效解決電磁兼容問題。

當前解決電磁兼容問題主要遵循以下4種通用方法，即濾波、接地、屏蔽和隔離。濾波是指在設(shè)備電源或信號進口端采取措施進行噪聲濾除，以減少和釋放干擾；接地則是將干擾源接地以減少干擾的泄出量，或?qū)⒈桓蓴_設(shè)備接地以將部分外界干擾引至艇體以減少對設(shè)備的影響；屏蔽和隔離是指在干擾或被干擾設(shè)備之間形成物理的電磁護層，切斷或減弱干擾的電氣和空間的傳遞[6]。針對低頻磁輻射屏蔽，優(yōu)選高導(dǎo)磁率材料如鎳鐵合金（如坡莫合金），而針對高頻電輻射屏蔽，應(yīng)選用高導(dǎo)電率材料，如銅或鋁等。

1.4 電磁兼容設(shè)計流程

結(jié)合艦船和機電伺服系統(tǒng)電磁特點及實際工程經(jīng)驗，電磁兼容設(shè)計時可遵循以下設(shè)計流程，如圖1所示。

圖1 電磁兼容設(shè)計流程Fig.1 Flow chart of the electromagnetic compatibility design

2 電磁兼容綜合控制方法

某艦船配套機電伺服系統(tǒng)由高壓直流電源、操縱臺、執(zhí)行機構(gòu)、動力集成單元、電控柜和外部電纜網(wǎng)組成，如圖2所示。

圖2 機電伺服系統(tǒng)組成圖Fig.2 Components of the mechatronic servo system

2.1 執(zhí)行機構(gòu)

EHA執(zhí)行機構(gòu)主要由作動器殼體，活塞桿、殼體端蓋、密封件、油管和位移傳感器等組成；EMA執(zhí)行機構(gòu)主要包含殼體、絲杠運動副、伺服電機和位移傳感器（旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器）等。

設(shè)計時可遵循以下原則：涉及機電伺服閉環(huán)控制的關(guān)鍵傳感器（如位移傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器等）盡量采用數(shù)字式傳感器，相比模擬式傳感器，數(shù)字式傳感器具有更強的抗電磁干擾能力；傳感器的差分信號線應(yīng)進行雙絞處理，引出線外部采用金屬絲網(wǎng)編織防波套（鍍錫銅），防波套應(yīng)與執(zhí)行機構(gòu)保持可靠連接，執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)可靠接地以減小傳導(dǎo)干擾。在不影響維護的條件下，傳感器應(yīng)盡量安裝在執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部，執(zhí)行機構(gòu)的金屬殼體可起到良好的屏蔽作用，金屬殼體應(yīng)進行退磁處理，從而降低輻射干擾。

2.2 動力集成單元

對于分布式EHA機電伺服系統(tǒng)，動力集成單元是指驅(qū)動EHA執(zhí)行機構(gòu)運動的動力模塊，主要由集成閥塊、液壓控制元件、傳感器（壓力、溫度、油面等）、液壓泵和伺服電機（內(nèi)置旋轉(zhuǎn)變壓器）組成。其中傳感器和伺服電機是電磁兼容的敏感設(shè)備，主要因為驅(qū)動控制器內(nèi)部IGBT和DC/DC模塊產(chǎn)生的電磁干擾通過電源和信號線纜傳遞所致，切斷干擾源的傳遞路徑是有效措施之一。伺服電機本身也是電磁干擾源，電機本體會產(chǎn)生低頻電磁干擾，設(shè)計時應(yīng)保持電機殼體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，電連接器采用導(dǎo)電膠墊與殼體共地，減少開孔，防止電磁輻射泄漏。同時，對電機殼體進行表面處理時，應(yīng)注意保持對外安裝面的導(dǎo)電性，保證動力集成單元是一個連續(xù)的導(dǎo)體，動力集成單元同時應(yīng)可靠接地。

2.3 驅(qū)動控制器

驅(qū)動控制器是機電伺服系統(tǒng)電磁干擾的重要源頭，因此電磁兼容性設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注PCB制板和驅(qū)動控制器殼體電磁防護兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.3.1 PCB制板

1）DC/DC模塊I/O端均采用低通差模濾波器進行濾波，抑制尖峰、瞬態(tài)干擾，減少電源與控制電路的相互干擾；

2）采用高速光耦來實現(xiàn)控制與驅(qū)動單元的隔離；

3）數(shù)字地與模擬地隔離，采用專用的數(shù)字地接地裝置引出至電控柜表面，并最終連接至船上數(shù)字地專用接地點；

4）對于位移傳感器等關(guān)鍵傳感器的供電，DC/DC采用單獨模塊，使系統(tǒng)中的傳感器與控制器內(nèi)部其他供電隔離，減少干擾；

5）電路板合理分區(qū)，盡量做到強、弱電分區(qū)，數(shù)字、模擬信號分區(qū)；

采用多層電路板設(shè)計以減小電源、地的寄生電感；多層PCB設(shè)計中一般需要采用20H和2W原則來確定印制線條間距和邊距[7]。

2.3.2 驅(qū)動控制器殼體防護

1）驅(qū)動控制器殼體采用鋁質(zhì)材料整體成型，盡量減少開孔，殼體采用導(dǎo)電陽極化鍍層，殼體邊沿圓弧過渡，避免尖角形成發(fā)射天線；

2）驅(qū)動控制器殼體上蓋以及電連接器與殼體本體之間應(yīng)采用導(dǎo)電密封墊，使上蓋、電連接器與殼體之間形成連續(xù)屏蔽體。

2.4 電控柜

電控柜是電磁兼容綜合控制的重點之一，因內(nèi)置眾多電力電子元件，包括電磁干擾源：驅(qū)動控制器中的IGBT、DC/DC模塊以及柜體內(nèi)的二次電源，加上內(nèi)部電纜網(wǎng)的傳導(dǎo)干擾和耦合輻射干擾，電磁環(huán)境異常復(fù)雜。此外，由于安裝維護、吊裝、指示、信號傳輸和散熱等要求，柜體與柜門不同部位存在各類縫隙和通孔，給電控柜電磁兼容設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，應(yīng)從以下幾方面入手，如圖3所示。

圖3 電控柜外形圖Fig.3 Diagram of the electric control cabinet

2.4.1 干擾源防護

直流電源進入電控柜后采用低通濾波器，后端電源調(diào)理模塊也內(nèi)置濾波電路，采用無感吸收電容對電源進行濾波，降低電源對系統(tǒng)的干擾，同時也可濾除一部分IGBT通斷時產(chǎn)生開關(guān)噪聲，濾波電容后端再串入一個低通濾波器后進入驅(qū)動控制器。對于柜體內(nèi)的二次電源也內(nèi)置濾波電路以消除MOSFET高頻開關(guān)時產(chǎn)生的傳遞干擾。

實際工程應(yīng)用中，濾波器經(jīng)常無法達到預(yù)期效果，除參數(shù)匹配原因外，還需考慮如下因素：

1）濾波器與電控柜體間的安裝平面應(yīng)具有較好的導(dǎo)電性，確保接地良好，且與其他模塊間的連接線應(yīng)盡量短；

2）濾波器內(nèi)部所用電感的鐵芯應(yīng)具有低磁導(dǎo)率、高飽和磁通密度，避免電感飽和現(xiàn)象。

2.4.2 柜體防護

在滿足使用維護的前提下，盡量保持柜體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，并采用良導(dǎo)體，如鋁、銅等；柜體縫隙及通孔安裝面應(yīng)保持金屬基體，或噴涂導(dǎo)電涂層；安裝面的溝槽內(nèi)填充鈹銅簧片、金屬絲網(wǎng)襯墊或銅箔帶等電磁屏蔽材料。

2.4.3 柜門視窗防護

柜門視窗開口處選用屏蔽玻璃（鍍膜玻璃或夾絲網(wǎng)玻璃等）進行電磁屏蔽。為增強顯示元件抗電磁干擾的能力，為其設(shè)計金屬屏蔽罩（材質(zhì)為坡莫合金）并在安裝處用導(dǎo)電密封條和短螺釘保持與柜門的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，柜門視窗內(nèi)的多路弱電信號匯集在一個電連接器進行信號傳輸。

2.4.4 螺釘防護

電控柜對外螺釘建議采用不銹鋼螺釘或具備良好導(dǎo)電涂層的螺釘，安裝時采用金屬絲網(wǎng)組合襯墊用于填充螺釘與安裝面的縫隙。

2.4.5 插座防護

插座與柜體連接部位容易造成電磁泄露，一般做法是采用導(dǎo)電橡膠墊，以保持插座與柜體的連續(xù)性；但導(dǎo)電膠墊易氧化，從而造成導(dǎo)電性能下降；為此，應(yīng)對插座與柜體接縫處采取必要防護措施，避免屏蔽效能降低現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4.6 內(nèi)部電纜網(wǎng)防護

柜體內(nèi)部電纜網(wǎng)電源線與信號線應(yīng)分開布置，進線和回線盡量綁扎在一起，避免形成環(huán)形回路；對于差分信號應(yīng)進行雙絞處理，電纜不便安裝防波套時可采用屏蔽熱縮管。

2.4.7 電控柜接地

電控柜內(nèi)各電力電子元件應(yīng)與支架可靠連接，柜門與柜體之間采用鍍錫包銅鋼編織帶連接，各元件采用單點接地方式接在柜體接線柱上，接線柱在設(shè)計允許的情況下應(yīng)盡量粗，以減小接地阻抗。

2.5 外部電纜網(wǎng)

對于外部電纜網(wǎng)，輻射干擾是最常見的電磁兼容問題之一，電纜網(wǎng)由于長度較長，敷設(shè)后會形成天線，既是輻射天線，又是接收天線。線纜產(chǎn)生輻射的機理有2種，一種是線纜中的信號電流（差模電流）回路產(chǎn)生的差模輻射，另一種是線纜共模電流通過線纜與地形成較大的環(huán)形天線，從而產(chǎn)品輻射干擾[8]。

電纜網(wǎng)設(shè)計時，電源線與信號線應(yīng)分開；強電信號與弱電信號要分區(qū)，并且盡量避免交叉；對于差分信號，信號線應(yīng)進行雙絞。線纜推薦采用分屏蔽層（裸銅帶）+總屏蔽套（鍍錫銅絲編織）的方式進行雙層屏蔽，電屏蔽和磁屏蔽材料結(jié)合使用，可以有效降低電磁輻射干擾。線纜兩端與電連接器連接推薦選用帶Ti-Ni環(huán)的尾罩，可實現(xiàn)總屏蔽套與插頭和尾罩360°屏蔽；對于電源線纜，特別是交流電源線，電連接器外部可采用屏蔽纏帶進行屏蔽加強處理（蒙乃爾屏蔽纏帶），可有效降低電源線的磁場輻射；此外，外部電纜網(wǎng)在滿足使用條件的前提下應(yīng)盡量短，避免交叉或環(huán)狀布置，形成環(huán)形天線。

2.6 控制策略

合理設(shè)置IGBT開關(guān)頻率，IGBT開關(guān)頻率設(shè)置時應(yīng)兼顧驅(qū)動控制器的熱設(shè)計、系統(tǒng)振動噪聲測試頻段及系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)要求。在滿足動態(tài)要求的前提下，伺服機構(gòu)啟動和換向時應(yīng)平滑過渡，減小啟動和換向瞬態(tài)電壓和電流的脈動。

對于IGBT的控制策略，一些學者著眼于 EMI 的源頭，對功率芯片MOSFET和IGBT的控制策略展開研究，通過適當?shù)拈T極控制，來減小逆變器側(cè)的MOSFET和IGBT關(guān)斷過程中的 du/dt和電壓振蕩，這樣既可以降低逆變器側(cè)的du/dt和di/dt，同時也能有效的抑制電機側(cè)的 du/dt和di/dt[9]。本文中機電伺服系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)SVPWM三環(huán)控制策略，優(yōu)化的IGBT控制策略將作為后續(xù)完善工作之一。

3 電磁兼容測試驗證情況

本文所述機電伺服系統(tǒng)按GJB151B-2013中相關(guān)規(guī)定進行了 CE101，CE102，CS101，CS106，CS114，CS116，RE101，RE102，RS101，RS103 和對地電容共計11項測試，除CE101，CE102和RE102外，其余項目均一次性順利通過。經(jīng)分析，造成CE101不通過的原因是由于伺服電機激勵電流變化引起低頻傳導(dǎo)干擾，其強度與電機轉(zhuǎn)速和負載正相關(guān)；CE102是由于IGBT，DC/DC模塊及二次電源產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)干擾。電磁兼容整改時，無論如何改變?yōu)V波器參數(shù)，均無法有效抑制傳到干擾。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)是由于濾波電路發(fā)熱造成內(nèi)部電感磁通密度下降，從而引起磁飽和，通過更換飽和磁通密度更大的電感最終解決了該問題，如圖4和圖5所示。RE102不通過的原因是由于電控柜及電源線纜電磁屏蔽不徹底引起的電磁泄漏，通過上述電控柜和電纜網(wǎng)綜合控制方法起到了良好的屏蔽效果，見圖6。最終，本文所述機電伺服系統(tǒng)在整改后通過全部電磁兼容測試項目。

圖4 CE101測試圖（上：整改前，下：整改后）Fig.4 Curves of CE101

圖5 CE102測試圖（上：整改前，下：整改后）Fig.5 Curves of CE102

圖6 RE102測試圖（上：整改前，下：整改后）Fig.6 Curves of RE102

4 結(jié) 語

通過對大功率機電伺服系統(tǒng)原理的分析，可知高速半導(dǎo)體開關(guān)器件（IGBT）、DC/DC模塊和二次開關(guān)電源中的高頻開關(guān)（MOSFET）是整個系統(tǒng)電磁干擾的主要源頭；此外電機本體產(chǎn)生的低頻電磁干擾也是源頭之一。通過優(yōu)化控制策略可從源頭一定程度上降低電磁干擾；合理設(shè)置濾波器參數(shù)可有效衰減共模和差模干擾；電纜網(wǎng)是電磁傳遞干擾的重要路徑，也是電磁輻射干擾的重要來源，通過采取有效的屏蔽措施及合理布線，可有效降低電纜網(wǎng)傳遞干擾和輻射干擾；驅(qū)動控制器殼體及電控柜體的電磁屏蔽設(shè)計是降低系統(tǒng)電磁輻射干擾的關(guān)鍵，電屏蔽和磁屏蔽材料應(yīng)結(jié)合使用。只有從干擾源、傳遞路徑及敏感設(shè)備三方面均采取綜合控制方法，才能取得更好的效果。