无刷直流电机PWM的EMI抑制整改措施

 

一、引 言 

近年来随着我国经济水平发展和人民生活水平的提高，消费水平的不断升级，对电子产品的电磁兼容 EMC要求越来越高。这就要求技术人员在产品设计初期，既要考虑产品的基本功能，也要兼顾电磁兼容水平，尤其是电磁干扰发射量。否则在产品开发后期进行整改，耗费人力物力，而且改善效果也不明显。无刷直流电机作为许多产品的重要组成部分，例如扫地机，吸尘器，电子门锁，汽车上的雨刮、空调压缩机以及其他各种电动类产品等，电机电磁辐射问题也关乎产品的电磁辐射能否达标，本文将主要围绕直流无刷电机的噪声来源进行分析并提出相应的解决对策，最后进行实际案例分享。

 

二、无刷直流电机PWM调制原理

无刷直流电机PWM脉宽调制调速是通过斩波器将直流电源斩成PWM波，从而改变加在电枢两端的电压平均值，以调节电动机的转速。例如采用HPWM-LON调制模式，即两相导通星型三相六状态工作方式下对应导通的上桥臂功率开关管Q1、Q3、Q5，开关管受PWM信号调制,下桥臂功率开关Q4、Q5、Q2恒导通。

 

 

三、EMI的产生

EMI 两种形式: 传导和辐射。辐射EMI可采用金属盒屏蔽，传导 EMI 则采用滤波器阻止。由于传导EMI和辐射EMI源于同一能量源，能量必须有地方消耗掉，阻断传导EMI通常导致辐射EMI增加，因此，有效的EMI抑制技术依赖于EMI机理的彻底理解，以使在源上减小EMI，而不是仅仅在产生后去阻断。辐射EMI路径难以确定，辐射EMI的机理也就无法完整地分析。相反，传导EMI路径很好确定，分析传导EMI有助于确定EMI源、理解EMI产生的机理，减少这个源头，可有效地减少了传导EMI和辐射EMI。所以，重点是传导EMI。

传导EMI中的耦合电流是寄生电容中电流之和，由大的du/dt、大的方波电压幅值引起，耦合电流有差模分量、共模分量，差模、共模路径各不相同。

（1）差模 EMI

电机控制器釆用PWM调制，虽然产生了较好的正弦波，但也在输出端叠加了髙次谐波，这些髙次谐波在输出端产生差模干扰。其产生差模干扰的主要原因是功率管的通断使逆变桥输入电流是一个脉动电流信号，从差模电流传播途径来看，主要在输入测直流母线正负极以及交流线缆上传播。

（2）共模 EMI 

当 IGBT管导通与关断的瞬间，会产生很高的du/dt，通过回路中开关器件、金属引线散热片、外壳等对地的寄生电容进行不断地充放电，产生共模电流。

共模电流路径由一条直流母线, 相地间的寄生电容Cc，大地，交流电源，整流器构成，一部分电流经整流器的寄生电容，直流电容流过。不同设备的共模电流共享大地路径，所以共模EMI水平高，更难抑制。

 

 

四、整改措施

EMI抑制就是阻断传导EMI流通的路径，或使之在内部循环。应根据不同的干扰源采取相应的抑制措施。一般原则是：先提供局部通路，后增加高频阻抗。

常见滤波电路：

方案一：共模电感+电感+电容

共模电感可以针对共模噪声有效滤波，电容针对差模噪声，跟直流电机最近的电感L1和L2能有效抑制电机换向时产生的电压尖峰；

方案二：BDL+磁珠

BDL：BDL器件是一个多功能集成器件，具有良好的EMI滤波效果。

特点：器件体积平均减少73%，满足超薄设计需求，优化PCB面积：＞70%。直接取代共模电感和2-3个滤波电容的传统LC滤波电路。

可以同时滤除共模噪声和差模噪声，由于BDL的特点，滤波性能优于电容以及共模电感，滤波频段可以达到GHz，且具有较高的耐压值。PE一般为电机金属外壳，滤波小板上除了电机引线外，需要有额外的地并与金属外壳连接，而且这两者的导通性的优劣对滤波效果有较大影响。

 

五、实例

客户整改一款用于吸尘器的电机，应用的方案是：BDL+磁珠+电容，加电容的主要目的是为了让数据整体的余量更多。

 

整改前数据

垂直方向：

水平方向：

整改后数据

垂直方向：

水平方向：

 

 

六、总结

电磁兼容是电机传动中不可忽视的问题，随着电力电子装置在传动系统中的广泛应用，这一问题尤为突出，需对其机理进行深入的研究，并在产品设计、开发过程中采取切实可行的技术措施，这样，才能逐步消除电磁干扰的影响，具有较高的可靠性。

编辑：黄飞