直流电动机EMI电源滤波器设计探讨.pdf

直流 电动机 f m l 电源滤 波器设 计探 讨 直流 电动机 e m i电源滤波器设计探讨 张 连 洲 田军 (空 军 驻甘 肃 地 区军 事 代表 室 ) 摘 要：电磁兼容性 ( e m c)问题在军工产品研制生产 中日 渐突出，成为制约装备建设的重 要 因素之一 。笔者根 据 多年的 实践经验 ，指 出了直流 电动机 电磁 干扰 ( e m i)电源滤波器的设计 原则 、网络 结构和参数确定方法 ，以 d c 2 8 v 、4 w直流 电动机 e m i电源直流滤波器的设计 为例 ，按 照上述设计原则 ，经试验验 证和设 计改进得 出了满足 g j b 1 5 1 a 一 1 9 9 7中传导干扰 ( c e 1 o 2)要 求 的直流电源滤波器。 美键 词：直 流电动机 e mi 滤波器 近年 来随着国防科技水平不断提高 ，机 电一 体化 设备在 武器 装备 的诸 多领域 应用越 米越广 ， 伴 随 而来其 电磁 兼容性( em c)问题 也 日益 突 出。t h = 界各国对机 电一体化设备均提 出了严格的 e mc标 准 ，e mc指标 已成为设备极为 重要 的性 能参 数 ，军工产 品更是将其规定为一个 强制性要 求 ，所 有带 电工作 的设备 必须按 g j b l 5 1 a一 1 9 9 7 军用设 备和分 系统 电磁 发射 和敏感 度要 求 和 gj b 1 5 2 a-1 9 9 7 军用设备和分 系统 电 磁发射和敏感度测量 规定的要求和测量方法通 过 电磁兼 容性 试验 ，这也成为飞机首飞前必须考 核的试验项 目。 电磁干扰 e m i主要包括 辐射干扰 和传导 干 扰 。辐射干扰主要依靠设备 自身的结构 、屏蔽等 措施进行 防护 ，方法 较单一 。而传导干扰难 以有 效控 制 ，使 电磁干扰 的设计 复杂化。传导干扰 中 电源 线是 电磁 干扰 传人设备 和传出设 备的主要途 径 ，其抑 制非常重要 而又最为薄弱。通过 电源线 ， 干扰 _u 以传人设备并干扰设备的正常工作 。同样 ， 设备的干扰也可 以通过 电源线对其他设备造成t 扰 。为了防止这两种情 况发生 ，必须在设 备的 电 源入 口处安装一个低通滤波器 ，这个滤波器只允 3 2 许设备的工作频率通过 ，而对 较高频率的十扰有 很大损耗 ，这是 目前抑 制传导 十扰最 行之有效 的 方法之一 。在二 代飞机上 经常发生因设备工作时 产生干扰信号而引起其他设备 发生故障 ， 重要的一 个原 因就是设备没有 良好的电磁兼容性设计 ， 如某 飞机 曾在空中发生力臂调节器 空中停止工作故 障， 严 重威胁 到飞行安伞 ，分析排查后 发现 窄中大机 动飞行转载蹬舵时 ，载荷机构 的电磁线 圈断 电时 产生的反 电动势反馈到力臂调节器的 电源上 而引 起其停止工作 。 以普通有刷直流 电动机为动力单元 的电动机 构在军用各型飞机 的飞控 、环控 、燃油 、发动机 等 系统 中有广泛应用 ， 属典型的机 电一体化设 备， 但其存在机 械式换 向器 和 电刷结构 ，工作 时产生 电火花必不可少 ， 这是产乍 电磁干扰 的核心环节 ， 因此 ，消除直流 电动机的 电磁干扰信号是 电动机 构设计的重要要求 。e mi 电源滤波器能有效的抑 制直流 电动机的传导十扰 ，笔者 以dc 2 8 v、4 w 的直流 电机 的电源直 流滤波器 为例 ，研究滤 波器 的电容、电感选择 、网络结 构 ，经试验验证得到 了满足 gj b l 5 1 a l 9 9 7传导干扰 ( c e l o 2 )的 电源直流滤波器 。 国 防 技 术 基 础 第 3 期 一 、e mi 电源滤波器的设计原则 网络结构 1 设 计 原 则 在工作频率范 围内 ，若传输线 的输人输 出阻 抗匹配 ， 可 以最大限度地传输信号功率 。于是 ，能 够最大 限度的抑制 噪声信号 ，就能达到滤波器 的 理想效果。 为了达到更好 的滤波效果 ， 必须遵循阻 抗失配原则 ，在 e mi 信号中 ，电感是高阻的， 电 容是低 阻的 。根据源端和 负载端的阻抗特性合理 选取滤波器的网络结构和参数， 按下述方法进行： ( 1 )低的源 阻抗和低的负载 阻抗 ，选取 高阻 抗的输入和输出滤波器 ； ( 2)高的源阻抗 和高的负载阻抗 ，选取低 阻 抗的输入和输出滤波器 ； ( 3 )低的源阻抗和高的负载阻抗，选取高阻 抗的输入和低 阻抗 的输 出滤 波器 ； ( 4 )高 的源阻抗和低 的负载阻抗 ，选取低 阻 抗的输入和高阻抗 的输 出滤 波器 。 2 e m i滤波器的网络 结构 e mi 信号包括共模 干扰信号 ( cm) 和差模干 扰信号 ( dm) ，c m 和 d m 的分布 见图 l ，这确定 e mi 滤波器 的网络结构和参数 。常用的 e mi 滤波 器 的网络结构 l型 、t型 、 丌型为抽 象的基本滤 波器结 构。 t n ( 翳 一- 一 _- 1 0 1d z o o k t z h 1 o o m l z 图 1 c m和 d m的 分 布 图 二 e mi 电源滤波器的参数确定 e mi 电源滤波器是 由电感 、电容等无源器件 构成 ，元件看似简单，但若选取不当，或对元件 的特性掌握不够 ，则很难设计 出符合要求 的高性 能的滤 波器 。特别是 因为需要 滤除的噪声对于 电 感 、电容来说 是高频段信号 ，滤 波器的高频滤波 器性能往往难 以把握 ，所 以有必要对 电感 、 电容 等元件进 行深人 研究 。 1 电感 在进行滤波器设计 时 ，通常把 电感 串联在 电 路 中， 在高频时 为线路提供一个 串联的高阻抗 ， 高 频噪声就主要 降在 电感上 ，而低频成分 能衰 减很 小地通 过 电感 。 因此 ，选择 电感 时必须考虑 下列 三个 关键 因素 。 ( 1 )有 效阻抗特性 理想 的电感 阻抗是随着 频率 的上升而线性增 大 的 ，但 实际 电感的阻抗 特性并非如此。它有一 个谐振频率 ，在谐振频率 以上 。电感 阻抗随 着频 率 的上升反 而下降。 ( 2 )额定 电流 电感量 的大小 与滤波器 的额定 电流有 关 ， 额定 电流越大 ， 就越小。这是因为 电流增大 ，会 使 线圈的线径增 大 ，同一磁环上所能绕的线 圈匝 数必然相应 减少。当然 ，在额定 电流允许的情况 下 ，尽量将 取得 大些 。 ( 3 )承受浪涌 电流能力 滤波器 的电感通常对尖 峰 电流只有很小 的影 响 ，但也必须 能够通过尖峰 电流而无饱和 现象发 生 ，因为饱 和现象会减小有效 电感 ，因此最重要 的是选取 合适的磁芯材料 。 共模扼流 圈 共模扼流 圈是专 门为抑 制共模 噪声 而设计 的 特殊 电感 ，一般取值为 1 5 5 mh，其主要 抑制 1 5 0 k hz 3 0 mhz之 问的噪声 。 差模扼流 圈 差模扼流 圈是采取单给 绕组结 构制成的单线 扼流 圈，串联在单根传输线上。一般取值为 1 0 5 0 h，其与共模 扼流 圈最大的不 同点就是与其 他负载直接串接。 为 了不使 差模 扼流 圈因为电流过大而饱和 以 至失去滤 波作 用 ，必须选择合适 的磁芯材料 。 目 前 国内主要有铁粉 、铁镍钼 、铁硅铝 、非品 、超 微晶等。因此 ， 只有对各 种材料特性 深入 了解 ， 才 能设计 出满足 要求的差模扼流圈 。 2 电容 由于 电容 的阻抗值 随频率 的上升 而减小 ，所 以常常将 电容器并联在支路 中为高频 的噪声提 供 小 阻抗的通路 ，从 而将 高频噪声旁路 ，而不 影响 低频成分 。在选择 e mi 滤波器的 电容时 ，也需要 考虑 下列三 个关键 因素 。 ( 1 )有效 阻抗特性 理想 的电容 的阻抗是随着频率的上升 而线性 3 3 直流 电动机 e m i 电源滤波器设计探讨 减小 的 ，而实际 电容的阻抗并非如此 。实 际电容 有 一个谐 振频率 ，在谐振频率 以上 ，电容 阻抗 随 着频率的上升反而增大 。 ( 2 )额定 电压 差模 电容 的耐压值 必须考虑输入 电压 的最大 值 ，应选得足够高 。一般贴片 电容 电压耐压值有 l 6 v、5 0 v、1 0 0 v等 ，电容值 与其耐压值有关 。虽 然耐压值 高的 电容的值可 以更高 ，但 高频性 能却 下降了 ，所 以选择时要充分考虑各个 因素 。 ( 3 )安全标 准 e mi 滤波器 中的 电容有两种不 同的下标 ：c 和 c一 两 种下标 不仅说 了它 们在滤 波器 中的作 用 ， 还表 明了它们的安全等级 。 e mi 滤波器 中， 为 了符合安全等级还专 门用到 了安规 电容 。 共模 电容 e mi 滤波器 的共模滤波性能受到共模 电容的 制约 。共模 电容也称 y 电容 ，跨接在 电源线与地 之 问。交流滤波器 中的 c ， 值是根据滤波器漏 电流 的大小确 定的。接地漏 电流的大小对人身安全至 关重要 ，不同国家对不 同类型的 电子设备的接地 漏 电流都做 了严格的规定 ，如果过大则会 引起严 重后果。直流滤波器 中的 c 电容 ，主要根据额定 电压 和绝缘 电阻来进行设计 。 差模 电容 差模 电容 也称 x电容 ，由于差模 电容是跨 接 在两根 电源线之 间 ，它除了承受 额定 电压 外 ，还 会叠加 卜两根 电源线之问存在 的各种 e mi 信号的 峰值 电压 。c 电容量 越大 ，则低频时差模插入损 耗越 大 ，但不是无限制的大 ，应根据所需要抑制 差模 噪声的频率 下限值 而定 ，电容量越大 ，体积 越 大 ，需 要 从各 个 方 面进 行考 虑 ，一 般取 值 为 0 0l l 0 f。 三、e m i 电源滤波器设计及试验结果分析 电源滤波器对电磁干扰的抑制作用不仅取决 于滤波器 本身的设计 和它的实际工作条件 ，而且 在很大程度上还取 决于滤波器的安装情况 。 电源滤 波器 引线与安装位置也非常重要 ，主 要考虑到 电源线 除了会通过 电源 线的传导 时传 输 电磁干扰外 ，还会在传 输过程 中将 电磁 干扰 辐射 出去 ，埘 附近 的敏感 电路造成辐射耦 合 。因此必 须考虑滤波器的输入线与输出线之间不存在耦合 ， 否则会导致滤波器 的性能下 降。 电源滤波器金属 外壳必须保证 良好 的接地效果 。 电源滤波器 的连 线尽量选用双绞线为佳 ， 可以消除部分高频 下扰。 最后 ，根据实验室 中摸底 到直流 电动机 的实 际传导干扰后 ，开始设计滤 波器 。通过测试得到 噪声频谱 图 ( 按 gj b i 5 1 a 1 9 9 7 要求 的 c e 1 0 2 测试频率为 1 0 k hz l 0 mhz ) ，通过 噪声频谱 图 我们可 以得到干扰在1 0 k hz 1 0 mhz 所有频段都 超 标 ，其中低频段 l 0 1 0 0 k hz 超标最严 重。 1 首次试验 首 次 试 验 中 ， 先 解 决 超 标 不 是 严 重 的 l 0 0 k hzl 0 mhz频段 ，属共模干扰 ，但出于空 问受到限制的考虑 ， 试图只采用一个共模扼流 圈， 未采用共模 电容 。通过分析 ，采用共模 扼流圈的 谐振频率在 1 0 0 khz 2 0 hz内，选用它来抑制该 频段的共模 传导干扰 。 首先求出噪声衰减量。根据 测试 曲线图 ，我 们可 以得到超标 的数据 ，即是 需要的衰减量 。由 于在这个频段超标不太严重 ，无需采用多级滤 波 器 ，且根据 阻抗 失配原 则 ，可采用 丌型滤波器进 行 设 计( 丌型滤 波器 与 曲线 相切 位 置 的斜 率 为 6 0) 。 由此 确定 与横 标 的 交点 ， 即截止 频率 f -l 9 3 k hz ，按推导过程 ， c 型滤波器的转折频率 为 ： _d m l 2 x ( l + 2 l 1) ) c 2 若使用共模扼 流幽的 电感量为 2 i t i h，则 ( 漏感) 约为2 2 tj h，以该漏感作为差模电感而不外 加差模 电感 ，计算得到差模 电容为 6 2 5 3 n f，根 据 电容值的规格取值 6 8 n f。 电容选择 时要综合考虑额 定电压 、温度 系数 等方 面的因素 ，选取 了陶瓷 电容系列 ，该 电容的 电介质为 x7 r，电气性 能较稳定 ，工作温度范围 为 一5 5 1 2 5 。将设计到的数据进行整理 ，得 到 e mi 电源滤 波器 整体拓扑结 构 ，见 图 2 。 2 二 次试 验 通过首 次试验后再进行测试 发现超 标现象仍 然存在 ，是首 次试验前 测试 的低频段 ，即 1 0 1 0 0 khz ， 低频段 的干扰主要是 由于差模十扰引起 的 ，而通过第一次试验后的原理 图里 已经有差模 国 防 技 术 基 础 第3 期 电容 ，而没有差模扼流 圈 ，因此尝试在输入端增 加差模 扼流圈 ，采用能够满足使用 温度的铁硅铝 材料 的磁环 ，电感量采用 5 0 h，因此 e mi 滤波器 的拓扑见图 3 。 一 一 一 一 l _ _ l_ ： l 。 、 一 一 一y 、 l 共臻扼流爱 图 2 e m i电源滤波器拓扑结构 l l = 、 ， 、 一 一 差臻扼漉 、 二 ； c x二 等滏扼漉霸 、 一 i = 。 ： ：一= v 0 萸援挺流 图 3有 差模扼 流 圈的 e mi电源滤波 器拓扑结构 然后进行第二次试验 ，试验 后发现低频段的 效 果得到明显抑制 ，达 到所 要求的标准 。 最后根据 电机 的工作状态 ， 存在正 、 反转工作 要 求 ，且共用负极 ，最 后对 电路 图进行整理后得 到最 终的 电路拓扑 图，见 图 4 。 正极一 一 _r l 1 一 u j ，1一 输 二 ： = = = = 输 负 极 而 卜 一。 一 一 一一 卜 入 半 、 牛 出 正极 l ln n 、 上一 图 4 e m i电源滤 波器拓扑结构 四、结论 从滤波结果来看 ， 电源端 口的传导在整个频 段 范围 内都得 到了更好的抑制。这也验证 了 e mi 滤波 器阻抗失配的原则 ，即负载是 电机 ，内部有 激磁 线圈 ，呈现的是 高阻抗 ，而 电源输 出端都是 低 阻抗的 ，这样滤波器 的输入和 输出端都能满足 阻抗 失配原则 ，从而使滤波器 的使 用效果达到最 理想状态 。因此本 文重点是 ： ( 1 )介绍滤波器 的设计原则 ，将现有的较为 成熟的e mi 滤波器理论作了详尽的阐述，对同类 直流 电动机的 emi 设计有较强的参考价值 ； ( 2 )提出了滤 波器元件 ( 主要是 电容 、电感 ) 的选取 原则 ，研究 了元件 的高频特性 ，结合实践 提 出了各频段性 能改进措施 ； ( 3 )研究了噪声源阻抗对 e mi 电源直流滤波 器 的影响