PWM电机驱动系统辐射干扰预测方法研究

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随着脉宽调制(Pulse Width Modulation PWM,)技术的广泛应用,电机驱动系统的传导与辐射电磁干扰更加明显。在电子设备密集的封闭空间,大功率电机产生的高强度电磁辐射会严重影响敏感元器件的电气性能,降低设备可靠性。为了定量评估电机驱动系统的辐射危害,需要准确预测系统电磁辐射强度,以采取整改措施对辐射干扰进行有效抑制。为此,本文开展了PWM电机驱动系统的辐射干扰预测方法研究,具体内容如下:(1)PWM电机驱动系统辐射干扰产生机理分析。基于PWM电机驱动系统的组成结构和空间矢量PWM控制原理,分析了电压型逆变电路的工作特点,明确了PWM电机驱动系统辐射干扰来源。从差模和共模角度研究了系统辐射干扰的产生回路,分析了差模干扰和共模干扰的产生原因和作用机理,为后续电机驱动系统辐射干扰的预测提供理论依据。(2)空间弯曲线束辐射电场快速计算方法研究。基于多导体传输线理论建立了非屏蔽线束的传输线模型,考虑了线缆紧密排列时邻近效应对电容参数的影响。通过拓展多导体传输线方程,建立了空间弯曲屏蔽线束频域传输线模型。推导了传输线模型参数计算公式,针对编织型屏蔽线缆采用转移阻抗Kley计算模型分析芯线导体与屏蔽层之间的感抗。基于相似变换解耦和链参数矩阵获得了弯曲线束辐射电流并利用赫兹电偶极子模型计算了辐射电场,通过数值仿真和实验对方法进行了验证。(3)基于共模回路的系统辐射干扰预测方法研究。构建了电机三相阻抗高频模型,基于测量数据推导了模型参数计算公式,利用矢量匹配法获得了电机阻抗等效电路模型。基于“黑盒子”方法建立了逆变器干扰源模型,通过直接和间接测量获得各相对地电压,阐述了相与地之间阻抗测量方法。在电机阻抗高频模型和逆变器干扰源模型基础上,结合弯曲线束辐射电场快速计算方法,建立了基于共模回路的系统辐射干扰预测模型,实现了电机驱动系统三相线缆辐射电场的预测。结合辐射干扰预测方法与MATLAB/Simulink仿真平台,分析了空间矢量PWM技术下开关频率、输入电压及瞬时启动对系统辐射的影响。(4)引入全波仿真模型的系统辐射干扰预测方法研究。研究了电机多芯线绕组等效建模方法,考虑了芯线邻近效应对等效模型电容参数的影响,利用BP神经网络获得等效模型截面参数。基于绕组等效建模方法建立了电机全波仿真模型,采用时域有限积分法进行了数值计算,并通过了实验验证。针对逆变器PCB设计文件未知的情况,基于测量数据重建逆变板PCB模型,建立了逆变器全波仿真模型,并在CST中预测了逆变器辐射电场。将电机和逆变器全波仿真模型引入共模回路系统辐射干扰预测模型,通过电机、三相线缆和逆变器在空间同一位置产生的频域辐射电场矢量叠加,实现了系统辐射干扰的预测,并进行了实验验证。通过上述内容研究,本文取得的创新成果如下:(1)提出了空间弯曲屏蔽线束辐射电场的快速计算方法利用数值仿真计算空间弯曲屏蔽线束的辐射电场,其建模繁琐且计算耗时。本文针对编织型空间弯曲屏蔽线束,通过扩展多导体传输线方程,采用转移阻抗Kley模型计算芯线与屏蔽层之间的感抗,并基于链参数矩阵和赫兹电偶极子模型实现了屏蔽线束辐射电场的快速计算。和数值仿真相比,在计算精度相当的前提下,该方法可节省90%以上的计算时间,且建模难度显著降低。(2)提出了基于共模回路的驱动系统辐射干扰预测方法电机驱动系统的三相线缆是辐射干扰主要传播途径。为此,本文基于所建立的空间弯曲线束辐射电场快速计算方法,利用产生辐射干扰的系统共模回路,通过构建电机三相阻抗高频模型和逆变器干扰源模型,提出了电机驱动系统三相线缆辐射电场的预测方法。通过实验和仿真验证,该方法建模方便、计算效率高,且满足工程精度要求。(3)提出一种实现电机全波仿真的多芯线绕组等效建模方法由于电机绕组芯线数量多且紧密缠绕,直接建立其全波仿真模型非常困难。为此,本文提出一种电机多芯线绕组的等效建模方法,将绕组多根芯线等效为不超过4根的芯线模型,同时考虑芯线邻近效应对电容参数的影响,并利用BP神经网络方法计算等效芯线截面参数。绕组等效建模方法解决了电机电磁辐射全波仿真的建模难题,为实现整个驱动系统的全波仿真提供了有效途径。
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