[发明专利]一种电机驱动系统共模电磁干扰滤波器的设计方法

摘要

一种电机驱动系统共模电磁干扰滤波器的设计方法，基于转移函数设计共模滤波器，在滤波器拓扑选择和参数设计上定量考虑共模干扰源、干扰传输路径和敏感设备阻抗，首先根据电压源频谱和电磁兼容标准规定的干扰极限值，确定不同滤波器拓扑的目标电压转移函数；再由非线性最小二乘法确定使滤波器设计转移函数与目标转移函数偏差最小的滤波元件值；根据可实现和可操作性，确定电机驱动系统最终采用滤波器结构和元件。

主权项

1.一种电机驱动系统共模电磁干扰滤波器的设计方法，其特征在于，所述的设计方法基于转移函数设计共模滤波器，在滤波器拓扑选择和参数设计上定量考虑共模干扰源的特性、干扰传输路径阻抗特性和敏感设备阻抗特性，首先确定不同滤波器拓扑的目标电压转移函数，再采用非线性最小二乘法设计滤波元件值并选择滤波器拓扑结构；具体步骤为：(1)通过计算、仿真或测量得到主要测试设备线路阻抗稳定网络的阻抗特性和电机驱动系统部件的阻抗特性：对于由线性时不变无源器件构成的、能够用集总电路表示的电机驱动系统部件和电磁兼容测试设备，根据其电路结构，应用电路理论计算得到阻抗特性，或通过计算机电路仿真软件仿真得到其阻抗特性；对于不满足上述条件的电机驱动系统部件或电磁兼容测试设备，通过阻抗测量设备测量得到其阻抗特性；(2)任取共模电磁干扰滤波器的元件参数，通过仿真得到电机驱动系统插入不同拓扑的所述滤波器时，从干扰源到电磁兼容测量装置的干扰电压转移曲线；(3)根据步骤(2)得到的干扰电压转移曲线Hdc，写出以复频率为自变量的包含待定参数的电压转移函数表达式：所述电压转移函数表达式的通式为：式中，s为复频率，fA,m和fA,n分别为该式分子的第m个和第n个待定转折频率，fB,i和fB,j分别为该式分母的第i个和第j个待定转折频率，l为复频率s的指数，M、N、I、J分别为m、n、i、j的最大值，pA,n、pB,j为待定常数；确定以复频率s为自变量的，包含待定参数的电压转移函数表达式的方法为：将步骤(2)得到的干扰电压转移曲线绘制在正交坐标系上，其中纵坐标为Hdc，横坐标为频率，纵坐标为线性坐标，横坐标为对数坐标；根据低频段斜率k确定分子上复频率s的指数l的值：根据斜率随频率的变化，确定式(2)中表示因式数量的变量I、J、M、N的值，斜率变化的频率为转折频率；当斜率变小20dB/dec时，I增加1，对应的转折频率为fB,I，在步骤(6)中指定其频率值；当斜率变小40dB/dec时，J增加1，对应的转折频率为fB,J，或I增加2，对应2个相等的转折频率，分别为fB,I‑1和fB,I，在步骤(6)中指定转折频率值；当斜率变小20Q/dec时，I增加α，J增加β，Q、α、β均为正整数或0，并满足下式：20Q＝20α+40β                     (5)对应的转折频率为fB，I，fB，I‑1，…，fB，I‑α+1，及fB，J，fB，J‑1，…，fB，J‑β+1，在步骤(6)中指定这些转折频率值，当斜率增大20dB/dec时，M增加1，对应的转折频率为fA,M，在步骤(6)中指定其频率值；当斜率增大40dB/dec时，N增加1，对应的转折频率为fA,N，或M增加2，对应2个相等的转折频率，分别记为fA,M‑1和fA,M，在步骤(6)中指定这些转折频率值；当斜率增大20P/dec时，M增加γ，N增加δ，P、γ、δ均为正整数或0，并满足下式：20P＝20γ+40δ                      (6)对应的转折频率为fA,M，fA,M‑1，…，fA,M‑γ+1，及fA,N，fA,N‑1，…，fA,J‑δ+1，在步骤(6)中指定这些转折频率值；(4)根据电机驱动系统的电压等级、开关频率计算或仿真得到干扰源频谱：所述计算方法为采用二重傅里叶积分，根据电压、开关频率计算出干扰源频谱；所述仿真方法为根据电机驱动系统电压、开关频率，在计算机仿真软件中建立仿真电路，仿真得到干扰源波形，再经快速傅里叶变换得到干扰源频谱；(5)将干扰源频谱与电磁兼容标准规定的干扰极限值对比，确定干扰源频谱与极限值的差值，只有当实际电机驱动系统从干扰源到干扰检测设备的电压转移增益低于上述差值，电机驱动系统才能够通过电磁兼容测试；因此将上述随频率变化的差值称为电压转移增益上限；(6)依据步骤(5)中得到的电压转移增益上限和步骤(3)中得到的不同拓扑滤波器的电压转移函数表达式，分别确定采用各滤波器时，电机驱动系统通过电磁兼容测试时的电机驱动系统电压转移函数中的待定参数，得到仅包含复频率自变量一个未知数的表达式，此表达式称为目标电压转移函数；(7)通过二端口网络的传输参数矩阵表示滤波器拓扑结构，将该传输参数矩阵与步骤(1)中得到的阻抗特性，根据电路理论计算，得到以频率为自变量，滤波器元件值为待定系数的电机驱动系统电压转移函数，此电压转移函数称为设计电压转移函数；通过非线性最小二乘法，由设计电压转移函数拟合步骤(6)中确定的目标电压转移函数；根据拟合得到的设计电压转移函数表达式中待定系数的值，计算出滤波器元件值；(8)对比步骤(7)得到的不同滤波器的元件值，根据其可实现性和可操作性，确定电机驱动系统最终采用的滤波器结构和元件参数；所述可实现性和可操作性依赖于电机驱动系统设计的约束条件对滤波元件取值范围的限制，当步骤(7)中得到的滤波元件值满足所述限制时，则代表其可实现，可采用该种滤波器拓扑和元件参数，反之，不可实现。