高壓大功率機電伺服系統(tǒng)母線電壓測量干擾抑制方法

侯鵬飛，徐志書，高 健，李俊巖，陳安平

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

運載火箭通常借助伺服系統(tǒng)實現(xiàn)推力矢量控制，中國已成功研制出用于固體火箭發(fā)動機的3種類型伺服系統(tǒng)產(chǎn)品，分別是自備燃氣發(fā)生器和超高速燃氣渦輪泵液壓能源的燃氣液壓伺服系統(tǒng)、擠壓式液壓能源伺服系統(tǒng)和機電伺服系統(tǒng)。近年來，中等和較小功率級別機電伺服系統(tǒng)逐漸成為航天型號的主推方案，未來將朝著高電壓（160 VDC、270 VDC、400 VDC、500 VDC或更高）大功率（10 kW、20 kW、40 kW或更大）機電伺服系統(tǒng)方向發(fā)展[1]，其中十千瓦級400 VDC機電方案已經(jīng)被研制并成功應(yīng)用。

機電伺服系統(tǒng)通常由伺服電池提供動力電，利用伺服控制器測量得到母線電壓值，通過采集系統(tǒng)動力電信息用于表征伺服電池工作情況，或作為控制系統(tǒng)發(fā)送啟動命令的輸入條件，是一項重要參數(shù)。伺服控制器內(nèi)集成有直流母線電源、驅(qū)動電源、信號處理電路等，不同功能的電路之間存在噪聲干擾和電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）[2]。

伴隨電子產(chǎn)品高速化和集成化要求，印制電路板上電子器件密度不斷增大，走線寬度逐漸減小，信號頻率逐步升高，不可避免會產(chǎn)生電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）問題[3~5]。一般來說，電路板對外的電磁輻射效應(yīng)主要由共模電壓或電流引起，而電路板上的電路問題主要由差模電壓或電流引起。電路中傳送電流的導線構(gòu)成環(huán)路后將作為輻射干擾源，形成差模輻射，可能會影響母線電壓的信號測量[6~10]。

基于此，本文提出了高壓大功率機電伺服系統(tǒng)母線電壓測量干擾抑制方法，解決了某10 kW/400 V機電伺服系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的母線電壓測量波動問題，試驗結(jié)果驗證了干擾抑制措施的正確性和有效性。

1 母線電壓測量原理及干擾抑制方法

1.1 母線電壓測量原理

高壓大功率機電伺服系統(tǒng)電氣連接如圖1所示，電池通過一根“一分二”供電電纜同時為主、從控制器提供動力電，主、從控制器分別驅(qū)動作動器B和作動器A，進而實現(xiàn)對負載的驅(qū)動控制。

圖1 高壓大功率機電伺服系統(tǒng)電氣連接Fig.1 Electrical Connection Diagram of High-voltage and High-power Mechatronical Servo System

高壓大功率機電伺服系統(tǒng)通過主、從控制器分別測量母線電壓B和母線電壓A，測量原理通常為：動力電信號通過動力電分壓電路分壓為低電壓信號 Ud；分壓信號Ud經(jīng)線性隔離光耦轉(zhuǎn)換為差分信號Ucf，并通過儀表放大器得到放大信號Uf，如圖2所示；放大信號Uf經(jīng)由信號處理電路（見圖3）變換為信號Uc，最后 Uc信號進入數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）中A/D通道進行數(shù)據(jù)采集。

圖2 光耦隔離電路Fig.2 Optocoupler Isolation Circuit

圖3 信號處理電路Fig.3 Signal Processing Circuit

1.2 干擾抑制方法

為提高伺服控制器EMC，產(chǎn)品設(shè)計時采取以下措施：a）采用整體機加成型殼體加導電密封墊設(shè)計，提高產(chǎn)品屏蔽、密封性能；b）合理設(shè)計強弱電布局，提高電氣間隙，并使各個獨立電路有效接地；c）控制軟件中通過IIR數(shù)字濾波器對信號加以處理。通常來講，產(chǎn)生EMI的要素為電磁干擾源、傳播通道及敏感設(shè)備，本文將從削弱電磁干擾源或強化敏感設(shè)備兩方面出發(fā)，提出對EMI的抑制方法。

作為輻射干擾源，差模輻射可視作一個環(huán)路面積為S、電流為I、信號頻率為f（假定電流為正弦波）的小型環(huán)狀天線，其在自由空間中距離 r處產(chǎn)生的輻射電場強度E為

式中 θ為自由空間中點矢量與環(huán)路平面法向的夾角。可見，輻射電場大小與環(huán)路面積、環(huán)路電流以及信號頻率等相關(guān)。在同等環(huán)路電流和信號頻率下，應(yīng)盡可能減小電流所包圍的環(huán)路面積，即削弱電磁干擾源，從而有效控制差模輻射。

在實際應(yīng)用中，當動力電分壓電路受到同等強度的干擾時，動力電分壓電路與光耦隔離電路間環(huán)路面積越大，電壓測量電路抗干擾能力越差，則母線電壓測量信號波動幅值更大。因此，在安裝空間允許情況下，盡量將控制器的動力電分壓電路與光耦隔離電路集成在同一塊印制板上，減小兩者間環(huán)路面積。

分析母線電壓測量原理，當動力電分壓電路受到同等強度干擾時，隔離光耦的線性輸入范圍越窄，經(jīng)動力電分壓電路后電壓值越小，信噪比降低，則母線電壓測量信號波動幅值更大。因此，在工作溫度滿足使用需求時，應(yīng)盡量選用線性輸入范圍更寬的隔離光耦，即強化敏感設(shè)備，從而提高母線電壓測量信號的真實度。

綜上分析，優(yōu)化母線電壓測量電路布局，或提高隔離光耦的線性輸入范圍，是抑制高壓大功率機電伺服系統(tǒng)母線電壓測量干擾的有效手段。

2 工程應(yīng)用實踐

某 10 kW/400 V機電伺服系統(tǒng)在測試中出現(xiàn)如圖 4所示母線電壓測量信號波動現(xiàn)象。在控制器功率管使能開啟（圖4中66.97 s）前，母線電壓采集量基本穩(wěn)定；在功率管使能開啟后，400 V動力電信號出現(xiàn)幅值50 V（峰峰值100 V）、頻率0.1 Hz的正弦性波動，且母線電壓A、B之間存在一定相位差；測試結(jié)束后，通過示波器監(jiān)測電池輸出電壓比較穩(wěn)定，無明顯波動，表明伺服電池輸出特性正常，該波動問題與母線電壓測量電路受到干擾有關(guān)。

圖4 400V伺服系統(tǒng)母線電壓采集量Fig.4 Bus Voltage Collection of 400V Servo System

2.1 干擾分析

在400 V母線電壓測量電路中，存在最小信號幅值為0.1 V，其最易受到干擾。測試中，母線電壓測量信號正弦性波動的峰峰值為100 V，經(jīng)等比例換算，動力電分壓電路所受干擾近似為25 mV。

基于該問題，對某160 V伺服系統(tǒng)進行電池供電狀態(tài)下測試，其母線電壓采集量如圖5所示。在控制器功率管使能開啟后，160 V動力電采集信號波動峰峰值約為2 V，相對比較平穩(wěn)。

經(jīng)對比，400 V伺服系統(tǒng)同160 V伺服系統(tǒng)的控制器母線電壓測量原理一致，但電路布局不同。400 V控制器采用電容板與電源板分開布局的設(shè)計方案，動力電分壓電路與光耦隔離電路分別處于電容板和電源板上，兩者連接導線長度約10 cm，動力電分壓電路與光耦隔離電路之間形成約20 cm2的環(huán)路面積；160 V控制器因功率等級相對較小，則將電容板與電源板集成在同一塊印制板上，動力電分壓電路與光耦隔離電路之間通過印制板走線連接，環(huán)路面積僅為2.0 cm2。

圖5 160V伺服系統(tǒng)母線電壓采集量Fig.5 Bus Voltage Collection of 160V Servo System

此外，對比本文400 V伺服系統(tǒng)與某已應(yīng)用400 V伺服系統(tǒng)，兩者母線電壓測量原理及電路布局均一致（見圖6），但由于高溫工作環(huán)境條件差異，兩者選用不同的線性隔離光耦，如表1所示。

圖6 兩種控制器電壓測量電路布局Fig.6 Two Layouts of Voltage Acquisition Circuit

表1 兩種線性隔離光耦對比Tab.1 Comparison of Two Linear Isolated Optocouplers

分析某已應(yīng)用400 V伺服系統(tǒng)在相同工作條件下測試結(jié)果（見圖7），母線電壓測量信號波動峰峰值約10 V，經(jīng)等比例換算，動力電分壓電路所受干擾近似為25 mV，與本文400 V伺服系統(tǒng)所受干擾強度相當。

圖7 某已應(yīng)用400V伺服系統(tǒng)母線電壓測量結(jié)果Fig.7 Bus Voltage of Applied 400V Servo System

2.2 試驗驗證

針對400 V伺服系統(tǒng)母線電壓測量信號波動現(xiàn)象，通過地面電源（模擬電池供電）提供動力電開展模擬試驗。給定不同的供電電壓，母線電壓測量信號波動情況如表2所示。由表2可知，對于不同動力電電壓，母線電壓測量信號會有不同程度的正弦性波動，且波動幅值隨供電電壓升高而增大。

表2 母線電壓測量信號波動情況Tab.2 Fluctuation of Bus Voltage Collection

將400 V從控制器的線性隔離光耦更換為ACPLC87A-500E，主控制器保持原狀態(tài)不變。當動力電電壓為400 V時，母線電壓B出現(xiàn)峰峰值為26 V的正弦性波動，母線電壓A出現(xiàn)峰峰值為5 V的正弦性波動。可見，選用線性輸入范圍更寬的隔離光耦時，信噪比提高，動力電采集干擾信號波動峰峰值由26 V降低為5 V，提高了母線電壓測量信號的真實度。

在此基礎(chǔ)上，將400 V從控制器的動力電分壓電路與光耦隔離電路集成在同一塊驅(qū)動板上，環(huán)路面積約為2.0 cm2，主控制器仍保持原狀態(tài)不變。當動力電電壓為400 V時，母線電壓B出現(xiàn)峰峰值為26 V的正弦性波動，母線電壓A出現(xiàn)峰峰值為2 V的正弦性波動。可見，減小動力電分壓電路與光耦隔離電路間環(huán)路面積后，信噪比進一步提高，母線電壓測量信號相對更加準確。

按照圖1所示的電氣連接關(guān)系，開展電池真實供電狀態(tài)下驗證試驗，其中從控制器為采取干擾抑制措施后狀態(tài)，主控制器保持原狀態(tài)不變。由測試結(jié)果可知，母線電壓A波形平穩(wěn)無明顯波動，母線電壓B出現(xiàn)峰峰值為100 V的正弦性波動，如圖8所示。

由圖8可知，以上試驗復現(xiàn)了母線電壓測量信號波動現(xiàn)象，通過采取更換線性隔離光耦及優(yōu)化母線電壓測量電路布局的干擾抑制措施后，有效解決了母線電壓測量干擾問題。

圖8 400V伺服系統(tǒng)母線電壓測量結(jié)果（驗證試驗）Fig.8 Bus Voltage Collection of 400V Servo System(Verification)

3 結(jié) 論

從母線電壓測量原理及電磁干擾要素分析出發(fā)，提出了優(yōu)化母線電壓測量電路布局、提高隔離光耦線性輸入范圍的母線電壓測量干擾抑制方法，并結(jié)合某10 kW/400 V機電伺服系統(tǒng)工程應(yīng)用實踐，驗證了干擾抑制方法的有效性。文中方法可為航天器高電壓大功率系統(tǒng)信號測量電路設(shè)計及解決測試中信號測量波動問題提供重要參考。