某車(chē)載電機(jī)控制器EMC整改案例

一前言

本次整改樣機(jī)為某客戶(hù)的車(chē)載電機(jī)控制項(xiàng)目，主要通過(guò)PWM信號(hào)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，存在低頻段部分輻射嚴(yán)重超標(biāo)問(wèn)題，以下是本次測(cè)試與整改分析過(guò)程。

二電機(jī)控制器架構(gòu)及問(wèn)題點(diǎn)

上圖為該電機(jī)控制器的簡(jiǎn)單示意圖，通過(guò)PWM信號(hào)控制電機(jī)負(fù)極功率MOSFET管的通斷，調(diào)節(jié)控制板輸出的PWM信號(hào)的脈沖寬度的占空比的大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率為16KHz。初步分析可以得到以下幾點(diǎn)：

（1）EMI可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，傳導(dǎo)干擾是指干擾能量沿著電纜以干擾電壓的形式傳播，輻射干擾是指干擾能量以電磁波的形式通過(guò)空間將其信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。

（2）為了有效限值EMI，必須搞清楚干擾源和耦合路徑才能對(duì)電磁干擾加以抑制。在由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各種產(chǎn)品中，EMI的來(lái)源主要包括：

1、電機(jī)的火花，火花是換向器區(qū)域附近的空氣介質(zhì)電離，在空氣中形成帶電粒子，形成電磁干擾；

2、非線(xiàn)性器件，可控硅、整流二極管以及晶體管開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通截止的工作特性會(huì)產(chǎn)生高頻諧波干擾；

3、PWM控制信號(hào)的高次諧波造成的低頻（桿天線(xiàn)，電流法和電壓法測(cè)試頻段）輻射超標(biāo)。

三測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為CISPR25-2018 等級(jí)3，上面的數(shù)據(jù)為桿天線(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)(0.15-30MHz)，在所有測(cè)試頻段中輻射超標(biāo)最為嚴(yán)重，是本次整改的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得知數(shù)據(jù)呈現(xiàn)有規(guī)律的分布，兩兩之間頻率間隔約為16KHz，正是PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率。

四整改措施

電磁干擾的三要素為：干擾源-耦合路徑-敏感設(shè)備，常用的整改手段也是基于這三個(gè)要素進(jìn)行，大體可分為屏蔽，接地和濾波。

已知輻射源頭為PWM信號(hào)，超標(biāo)頻點(diǎn)為該信號(hào)的高次諧波。考慮到輻射超標(biāo)頻段為150KHz開(kāi)始的低頻，如果采用濾波的手段，一方面濾波器件參數(shù)會(huì)比較大，比如大電容電感；另一方面，經(jīng)過(guò)濾波后，輸出的驅(qū)動(dòng)電壓波形將會(huì)受到影響，進(jìn)而可能會(huì)影響功能。因此整改時(shí)優(yōu)先選擇了對(duì)輻射路徑進(jìn)行屏蔽處理。

如上圖所示，綠色框1處為PWM信號(hào)由控制板到驅(qū)動(dòng)板的傳輸路徑，先將電機(jī)部分?jǐn)嚅_(kāi)后測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

對(duì)該線(xiàn)束進(jìn)行屏蔽處理后數(shù)據(jù)如下：

由兩次測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)板的線(xiàn)束是輻射的路徑之一。由于電機(jī)電源負(fù)極受PWM信號(hào)控制，所以綠色框2處的電壓波形與PWM信號(hào)將是一致的，也是16KHz，實(shí)測(cè)靠近驅(qū)動(dòng)板端電機(jī)電壓波形如下：

同時(shí)，由于電機(jī)的緣故，電機(jī)兩端的電壓波形會(huì)有明顯的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象，越靠近電機(jī)端越明顯，下圖為實(shí)測(cè)靠近電機(jī)端電壓波形：

由上圖可以看到，電機(jī)兩端電壓存在明顯的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象，此處的電壓變化率更大，輻射更強(qiáng)。在屏蔽PWM信號(hào)線(xiàn)的基礎(chǔ)上將電機(jī)接回來(lái)，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

由上圖知，整個(gè)低頻段的輻射超標(biāo)情況還是很?chē)?yán)重。我們繼續(xù)往下整改，同樣按照前面的方法對(duì)電機(jī)線(xiàn)束進(jìn)行屏蔽處理，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

可以看到，屏蔽確實(shí)能起到明顯的效果，但是這里需要注意的是，這里的屏蔽需要進(jìn)行雙端接地處理，電機(jī)端接地接的是電機(jī)的金屬外殼，接與不接的效果差別很大。

五總結(jié)

以上是本次分享的全部?jī)?nèi)容，主要涉及調(diào)速電機(jī)低頻輻射超標(biāo)問(wèn)題的整改思路以及實(shí)際整改效果，整改措施以屏蔽為主?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用中受到各種因素的影響，屏蔽的可行性較低，筆者將繼續(xù)嘗試其他比較可行的方案，同時(shí)也期望讀者朋友們能慷慨賜教，為我們提供這方面相關(guān)的寶貴建議。

審核編輯黃宇