无刷直流电机控制器电磁干扰仿真

文/刘崇俊

（威马汽车科技集团有限公司 上海市 201702）

随着新能源车的发展，电机在汽车领域的应用越来越广泛，而电机系统的电磁干扰问题越来越严重，成为一个亟待解决的难题。传统的电机控制系统设计中，更多的偏向于经验设计，缺乏正向设计的有效方法。本文基于无刷直流电机控制系统辐射干扰超标的案例，应用电磁兼容仿真方法，研究正向解决电机系统电磁干扰的方法。本文期望根据测试数据找到了电磁干扰的源头，通过控制信号的理论分析寻找到可能的解决方案，结合理论分析应用仿真软件尝试不同的解决思路，找到一种有效降低电机系统电磁干扰的措施，实现电机控制系统电磁干扰的正向设计。

1 问题提出

某无刷直流电机控制器辐射发射（RE）测试时发现AM频段（0.5MHz-1.8MHz）电磁干扰严重超过标准限值，如图1。排查发现该频段的干扰主要来自BLDC电机驱动模块，该驱动模块通过脉宽调制（PWM）信号驱动，驱动频率为20kHz。控制电路每一组有三个Pin与外面相连用于控制三相无刷直流电机[1]。

2 脉宽调制信号及对应频谱介绍

2.1 脉宽调制信号

2.2 PWM梯形脉冲对应的频谱

PWM梯形脉冲为周期信号且满足狄里赫条件，从傅里叶技术可知PWM梯形脉冲为很多个频率为f整数倍的正弦波组成。下面将用傅里叶级数基本公式推出PWM梯形脉冲频谱的包络线公式，直观地看出梯形脉冲波形各个参数对各个谐波频点值的影响。

由傅里叶级数定义，可知PWM梯形脉冲可以以下面形式表达[3]：

图1：辐射发射测试频谱

图2：整改前仿真电路

图3：仿真频域波形

为了方便分析和计算，可以假定Tr=Tf，公式（2）将变形为：

将fn=nf0=n/T,ω0=2π/T带入式（3）可得：

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，汽车电子控制器常用的是电压控制PWM，通过固定频率，更改占空比的方式驱动Mosfet来控制不同类型负载的输出[2]。应用于汽车控制器常见的PWM输出波形一般为周期性的梯形脉冲波，每个脉冲由幅度Us，脉冲上升时间Tr，脉冲下降时间Tf，脉冲宽度Tw和周期T组成。频率f0=1/T,占空比Td=Tw/D。

可得梯形波频谱的包络值为：

对式（6）进行对数运算得：

由式（7）可以看出对应的频率与包络幅值（dB）之间的关系。梯形脉冲波的高频分量主要取决于脉冲的上升/下降时间，即为PWM的转换速率。从理论上可以看出较快PWM转换速率将会增加高频能量以及上幅值[4]。

3 电磁干扰仿真分析

3.1 整改前电磁干扰仿真

根据BLDC电机控制电路，搭建芯片、MOSFET、电机和走线模型，最终得到仿真电路如图2。该系统使用12V供电，场效应管的寄生参数会对仿真结果造成影响，仿真电路中使用了场效应管的模型。场效应管（MOSFET）控制信号模型，该部分主要是为了模拟真实情况下对场效应管（MOSFET）的驱动情况，同时是为了在仿真前，复现真实的控制规律。另外印制电路板走线是不可忽略的因素，所以仿真电路中提取了印制电路板的S参数来表征其走线特性。电机模型是整个电机控制器的负载，根据经验电机也是一个强电磁干扰源，但电机模型无法直接得到，所以此处通过真实的测量参数来进行表达[5]。

控制信号在整个BLDC驱动中起着至关重要的作用，同时也是辐射产生的源头之一。控制信号是仿真可靠的前提，但真正决定仿真准确度的是电机的电流，因为该电流具有电流大，纹波杂，变化快等强电磁干扰源所具有的特点，通过图2仿真得到电流波形。为了与EMC实际测量的频谱比较，需对仿真得到的时域波形进行傅里叶(FFT)变换。选取三相中任意一相的时域波形进行FFT变换后的频谱如图3所示。

从图3中可以清晰的看到20kHz的谐波，这一结果和实测时存在20kHz的谐波是一致的。

3.2 仿真分析

通过上面的仿真分析发现，20kHz的谐波是造成辐射发射严重超标的原因，从前面理论分析可以知道PWM波形的高频分量主要取决于脉冲的上升/下降时间，降低PWM上升/下降时间将会减小其电磁辐射。为此提出了一种整改方案，在电机的每一相上面串入一个LC滤波器，这样设计主要考虑LC滤波电路能够将交流干扰信号大部分通过电感吸收变成磁感和热能，而电容又可以进一步降低PWM上升/下降时间，这样就可以起到抑制干扰的作用[6][7]。

图4：仿真频域波形（L=0.47uH,C=1uF）

图5：C=1uF，不同电感值的辐射频谱对比图

图6：L=3.3uH，C=10uF电磁干扰测试结果

考虑到超标集中在500kHz之后，结合器件参数，根据LC滤波器截止频率的公式计算[8]。选用L=0.47uH,C=1uF，将LC滤波电路放在Snubber电路后，仿真结果如图4所示。

通过图4仿真结果可知，增加滤波设计后电磁干扰在低频段的强度有明显降低，尤其在最关心的AM频段（0.5MHz-1.8MHz）。控制电容为1uF，改变电感值，得到的结果如图5所示。

图5中，如右上角图例所示，绿色曲线是L=0.47uH,C=1uF的频谱；蓝色曲线是L=1uH,C=1uF的频谱；褐色曲线是L=3.3uH,C=1uF的频谱；通过上图可以得到的结论是：电容一定，增大电感能有效降低电机控制器的电磁干扰。在另一组仿真中发现，电感一定，增大电容也能有效降低电机控制器的电磁干扰。

4 试验验证

基于上面的仿真结果，对样品进行整改，由于实际整改时受到器件参数，器件备料，器件封装等多方面因素的限制，本文选取仿真结果介于中间的C=10uF作为典型分析参数来展开验证。即限制C=10uF，依次调整L的大小来测试优化效果。实验中，控制电容始终保持10uF，依次增大电感，测试结果不断得到优化，这与图5中电容一定，增大电感能有效降低电机控制器的电磁干扰的仿真结果一致。最终，使用L=3.3uH，C=10uF，产品20kHz谐波幅度减小，辐射干扰大大降低，满足了标准要求，产品顺利通过测试，验证了仿真结果的有效性。如图6所示。

5 结论

通过理论分析和仿真可以看出，减缓PWM转换速率，即增加PWM的上升和下降时间，能够明显的降低电机控制系统在低频的辐射发射值，增加LC电路是解决电机系统电磁干扰的有效方案。本文严格体现了仿真指导实际，实际验证仿真的思路。在仿真的指导下产品可以顺利通过测试，真正体现了仿真的实用价值和预测作用，进一步验证了通过电磁兼容仿真实现正向设计的可能性。