电机PWM控制原理

4．总结 根据实际的 PWM 电机驱动系统，分析了主要的共模干扰和差模干扰的机理。 证实共模 干扰是电压型的通过寄生电容的充放电形成干扰电流， 并分析了主要的 共模干扰通道，根据 上下桥臂的开通和断开仔细分析了干扰形成的整个过程。差
模干扰是电流型的，是在开关管 开断过程中由于续流通道的改变而形成的，由于 电机有大电感的存在，所以不经过电机。分 析了差模形成的整个过程。最后经过 三种仿真分析验证机理分析的正确性。
（2） 、T1 从开通到关断 正常工作时 T1 从开通到关断时，由于电机绕组电感的存在，需要续流通道， 因此此时 反向二极管 DT1 和 DT4 必有一个正向偏置。当二极管 DT1 正向偏置时 U 处的电压不发生变 化没有共模电流产生，当二极管 DT4 正向偏置时 U 处的电 压突变到-Ud/2，此时会有寄生电 容放电电流的产生。所以只分析 DT4 正向偏置 的情况。共模电流经过的路径图见图5 所示。
2.2 共模干扰分析 为了能清楚的分析和理解共模干扰传播路径和干扰形成的过程，有必要对主 电路进行 简化。但简化要遵守以下原则： （1）不能由于简化而改变实际的干扰传 播路径； （2）简化后 的主电路不会产生新的干扰源和耦合路径； （3）正确反映实 际的干扰情况。 其中 Cp 是 IGBT 开关管 T1 的发射极和 T4 的集电极与地的寄生电容。Cg1、
（2） 、工作电流为正 T1 由关到通 T1 没有开通之前，工作电流由 DT4 来续流，开通之后工作电流流过 T1。因 此在 T1 开通 的过程中，流过 T1 的电流逐渐增大而流过 DT4 的电流逐渐减小。 显然差模干扰电流的流向 与正常工作的电流是相反的。实在对于开关管而言，差 模干扰电流是必须的， 没有差模干扰电流的存在就实现不了工作电流路径的转换。 但对于其它环节差模干扰电流可能是有害的， 所以为了不干扰其他环节的正常工 作，可以为差模干扰电流提供专门的通道而不经过其他环 节。下图是差模干扰电 流的流经路径。
器件通断的时刻， 得到在调制波半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不 等宽 的矩形波。按照波形面积等效的原则，每一个矩形波的面积与对应位置的正弦波 面积相 等，因此这个序列的矩形波与期看波等效。这种调制方法称为正弦波脉宽 调制（Sinusoidal PULSE Width Modulation,简称 SPWM）[3]。这种序列的矩形 波称为 SPWM 波。三相桥式 PWM 逆变器输出波形如图2 所示。
2．传导干扰机理分析 下面分三个部分来分析，首先先容所研究的实际系统的主电路，然后分析共 模传导干扰 的机理，最后分析差模干扰的机理。 2.1 PWM 驱动电机系统主电路 要研究的系统主电路原理图如图1 所示，现简单说明其工作原理。
三相交流电压经三相不可控整流桥整流产生直流电压 Ud，经电容 C 滤波后仍 有微小的脉动，一般可近似以为其值不变。实际上 Ud 上具有高频成分，由此产 生了二极管上压降的波动。而二极管与散热片之间具有高频寄生电容，形成了共 模电流流通的回路。后续章节会 对其机理具体分析。直流电压经逆变器逆变后形 成等效正弦波驱动感应电动机，逆变器采用 正弦波脉宽调制（SPWM）技术。逆变 器期看输出的波形为正弦波，以期看的正弦波作为调 制波，以频率比调制波高得 多的等腰三角波作为载波，当载波和调制波相交时，它们的交点 作为逆变器开关
（3） 、工作电流为负 T4 由通到关 在 T4 没打开之前，工作电流由 T4 流回负端。在 T4 打开以后，工作电流流 经 DT1。因 此在 T4 关断的过程中，经过 T4 的电流逐渐减少而流经 DT1 的电流 逐渐增大。减少的量和增 加的量相等。其路径图见图9 所示。
此时差模干扰电流有两个路径，一个是 T4、DT1、C3、C4、T4，另一个是 T4、 DT1、 D1、C1、R1、R2、C2、D3、T4。第一条路径同样不经过 LISN，只有第二条 路径才会经过。
开关管 T1 关断的瞬间，流经 T1 的电流突降到0，流向电机电缆中的电流不 能断续，因 此二极管 DT4 正向偏置进行续流。VB=VU=-Ud/2，U 处的电压瞬间下 拉到 B 处的电压值（忽 略二极管管压降） 。寄生电容 Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 的 放电电流分别流经 R1、C1、D1、C3、 C4、DT4、Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 和 R2、 C2、D3、DT4、Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 构成回路。 （3） 、T4 从关断到开通 这个过程与第二个过程的结果关系很大，就是与前一个过程的续流电流的方 向有关。 假如是由二极管 DT4 续的流，当 T4 开通的瞬间 U 处的电压没有发生 变化，因此没有共模电 流的产生。假如是由二极管 DT1 续的流，当 T4 开通的瞬 间，VB=VU=-Ud/2，U 处的电压被 下来到-Ud/2，寄生电容进行放电，产生的共模 电流路径与图5 相似，不同之处是不流过 DT4 而是流过开关管 T4。 （4） 、T4 从开通到关断 T4 关断后，假如工作电流为正，则 U 处的电压不发生跳变，没有共模电流
PWM 电机驱动系统传导干扰机理分析
摘 要：针对实际系统将电机系统的交流电源、整流环节、逆变环节、电机
作为整体进行分析， 为了分析方便将传导干扰分为共模干扰和差模干扰进行研究， 分析了 PWM 电机驱动系统中存在的主要共模和差模干扰通道，由于传导干扰的路 径和上下桥臂 IGBT 的开通和关断有很大关系， 因此分析了 IGBT 不同的开关状态 下的共模干扰和差模干扰的传播路径，三种不同的仿真结果得出一致的结论说明 本文机理分析的正确性。 1．引言 由于 PWM 技术应用于电机驱动系统中，功率变换器采用 MOSFET、IGBT、可关 断晶闸管等开关器件。为了得到更好的电机系统控制性能指标，开关器件的工作 频率就越来越高，在开关和关断的瞬间产生很大的电压和电流变化率，这就是强 电磁干扰（EMI）产生的原因，远远超出了现在电磁兼容标准规定的答应值。产生 的电磁干扰主要是以传导的形式进行传播的，机理分析是数学模型建立的基础， 因此机理分析对于 PWM 电机驱动系统传导干扰的研究具有重要意义。 国内外有很多文献在这方面做了一定的研究，文献[1]针对 IGBT 的高 du/dt 给电力电子装 置带来的严重共模电磁干扰题目,深进分析了 Buck 电路的共模干 扰。文献[2]以电路理论为基 础，建立了单端正激式变换器中，由功率 MOSFET 的 漏极与接地散热器之间寄生电容所形成 的输进端共模干扰分析模型。 这里就不逐 一先容了，本文的机理分析将电机驱动系统作为一 个整体来研究，这在文献中很 少发现。
由图8 可知，差模干扰电流有两个路径，一个是 T1、DT4、C4、C3、T1，另 一个是 T1、 DT4、D3、C2、R2、R1、C1、D1、T1。第一条路径并不经过 LISN，只 有第二条路径才会经 过。这两条路径的阻抗随频率的不同而不同，因此一些频率 信号可能不会经过 LISN 这一路。 所以 LISN 测出的差模电压频谱图并不完全。
位。共模干扰电流分 别经过 R1、C1、D1、T1、Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 和 R2、 C2、D3、C4、C3、T1、Cp、Cg1、 Cg2、Cg3、Cgp 对寄生电容 Cp、Cg1、Cg2、Cg3、 Cgp 进行充电构成回路。U 点的电位逐渐上升 到 Ud/2。T1 开通的瞬间也可能是 D2、D4 正向偏置，但是经过 R1、C1、R2、C2 的路线是不 变的，所以不影响检 测到的共模电压频谱。
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（4） 、工作电流为负 T1 由关到通 T1 没导通之前由于工作电流为负流经 DT1，T1 导通之后工作电流流经 T1。 因此这种情况之 下差模干扰电流在 T1 和 DT1 组成的回路中流通。类似于图7。
3．仿真分析 为了验证分析的可靠性，遵循分析题目的一般规律，先后采用了三种方法进
行数学模型 的建立。分别为：时域模拟实际电路法、时域简化电路法和频域法。 时域模拟实际电路法就 是完全模仿实际系统的正常工作， 每个环节遵照实际情况 进行建模，干扰源和干扰通道暗含 于正常工作电路中。时域简化电路法从实际电 路中抽取出干扰源和干扰通道。频域法直接给 出干扰源和干扰通道的频域表达 式，求出传递函数，进而得出干扰的频域表达式。此处给出 了共模干扰和差模干 扰三种数学模型的仿真结果。如图10-15 所示。图10-12 是共模干扰仿 真结果图， 三个结果吻合的很好具有较好的一致性，可以证实前面的共模干扰机理分析的正 确性。同样差模干扰仿真也证实了相同的结论。
从图2 中不丢脸出，根据工作电流的不同和上下开关的通断，可以分为四种
情况来分析。分别为： 情况1：工作电流为+，下关上通，T4 关 T1 通 情况2：工作电流为+，上关下通，T1 关 T4 通 情况3：工作电流为-，下关上通，T4 关 T1 通 情况4：工作电流为-，上关下通，T1 关 T4 通 每种情况又分为两个过程，由于上下桥臂为了防止直通不能同时动作，有一 段死区时 间。死区时间正好就是干扰产生的时间。对于情况1 和情况2 而言，工 作电流都为正，T4 的通断的差模干扰路径是相同的。同样的 T1 的通断的路径也 是一样的。情况3 和情况4 类 似。因此只分析情况1 和情况3。 （1） 、工作电流为正 T4 由通到关 T4 没有关断之前工作电流为正，关断之后由 DT4 续流。在 T4 关断的过程中， 流过 T4 的工作电流逐渐减少，而流过 DT4 的工作电流逐渐增大。显然差模电流 在 T4 和 DT4 组成的 回路里循环，直到 T4 完全关断为止。路径见图7 所示。
Cg2、Cg3、 Cgp 是电机绕组与定子机壳的寄生电容。
根据开关管 T1 和 T4 导通和关断的不同，共模传播路径也有所不同。因此分 为四个过程 来分析，分别是：T1 从关断到开通、T1 从开通到关断、T4 从关断 到开通、T4 从开通到关断。 按照理想模型 T1 开通和 T4 关断是同时的，但在实 际中为了防止上下桥臂发生直通，需要一 个死区时间，在死区时间内上下桥臂都 不导通，工作电流靠续流二极管续流。这四个过程的 共模电流的产生与正常工作 电流有很大关系，由于工作电流的不同导致 U 处电压的不同，U 处电压的变化导 致共模电流的产生。现将四个过程中不同条件下 U 处电压变化值列于下表。 规 定工作电流即电机的 U 相电流流向电机为正由二极管 DT4 续流，相反为负由二极 管 DT1 续流。 （1） 、T1 从关断到开通 图4 是 T1 从关断到开通的瞬间共模电流所经过的路径。D1 和 D3 正向偏置， 整流桥导 通，在开关 T1 开通的瞬间，VA=VU=0。U 点的电位被瞬间下拉到0 电
的产生。 假如关断后工作电流为负，U 处的电压由-Ud/2 跳变为+Ud/2，共模电 流经过 R1、C1、D1、 DT1、Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 和 R2、C2、D3、C4、C3、 DT1、Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 对寄生电容 Cp、Cg1、Cg2、Cg3、Cgp 进行充电。 如图4 所示，不同之处在于不经过开关管 T1 而 经过反向二极管 DT1。 2.3 差模干扰分析 由于正常工作的电流就是差模，所以首先要分清楚正常工作的电流和差模干 扰电流。 由于电机电感的存在，每相电流是连续的，因此差模干扰电流不流经电 机而流经逆变器上下 桥臂的开关管或续流二极管。 电路简化的原则仍然遵循共模 干扰主电路简化的原则。由于六 个开关管不可能有两个管同时动作，而且它们在 开关动作时产生的差模干扰的波形是相同 的，对于 LISN 上丈量的频谱的作用是 相同的。因此只分析一个桥臂的工作情况就足够了。 本文分析了 T1 和 T4 工作时产生的差模路径。以后章节将基于本节分析的差 模路径进行建 模。简化差模干扰主动路图见图6 所示。