飛機電剎車系統電磁干擾產生機理及抑制方法

相里康，馬瑞卿，張慶超，韓偉健，鄧鈞君

（西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072）

飛機電剎車系統電磁干擾產生機理及抑制方法

相里康，馬瑞卿，張慶超，韓偉健，鄧鈞君

（西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072）

針對飛機電剎車系統力傳感器信號上疊加有高幅干擾這一問題，通過對電剎車系統分析，認為電機三相電流以及機電作動控制器（EMAC）輸出PWM波為主要干擾源，電纜線路之間的耦合干擾是造成干擾的主要原因。建立了線路耦合干擾的數學模型，并據此采用電磁屏蔽、線路絞合和有效接地來減少線路耦合，并在EMAC輸出端設計了無源EMI濾波器。通過這些改進，極大地減弱了干擾，提高了系統電磁兼容性，保證了剎車力伺服系統正常工作。

飛機；電剎車系統；電磁干擾；傳輸電纜；EMI濾波器

全電剎車系統利用電機驅動裝置來驅動剎車執行機構，使用電子傳輸線路代替原有的液壓輸油管路，實現機輪剎車的制動控制功能［1］。全電剎車系統具有更好的安全性、可靠性、可維護性以及更優良的潛在剎車性能，可以大幅地減輕系統重量。然而也帶來了很多問題，其中電子信號的電磁干擾問題，就是其中之一。飛機全電剎車系統主要由電壓脈寬調制（pulse width modulation，PWM）控制的無刷直流電機力伺服系統組成，采用PWM控制提高了控制性能，然而卻成為傳導和輻射電磁干擾的主要來源［2］。其中傳導干擾可能影響其他電氣設備的正常運行，而輻射干擾將帶來干擾源周圍設備的誤動作和故障。

1　剎車系統的電磁干擾

1.1電剎車系統力傳感器上疊加的干擾

飛機全電剎車系統主要由剎車控制單元（brake control unit，BCU）、機電作動控制器（electro-mechanical actuator controller，EMAC）和機電作動器（electro-mechanical actuator，EMA）三部分組成，如圖1所示。BCU由28 V低電壓直流系統供電，EMA 和EMAC由28 V和160 V直流電源供電。EMAC與EMA的連接電纜長達10 m，且包含強干擾源——電機三相電壓以及極易受到干擾的力傳感器信號。

圖1　飛機全電剎車系統框圖

力傳感器是飛機全電剎車系統的關鍵部件，其采集信號是否準確是剎車系統能夠正常工作的保障，但由于力傳感器工作電壓低，傳輸距離長，勢必會造成力傳感器信號上疊加干擾信號。

連接電纜采用普通電纜時，EMAC中測得的剎車力給定和響應曲線如圖2所示，從圖2中可以看出：剎車力響應曲線存在嚴重的干擾。在給定信號低電平區域，干擾量較其他區域明顯減小，而高電平區域干擾量明顯增加。給定信號低電平區域處于電機不工作位置，PWM占空比為零，故可判斷干擾量與PWM占空比密切相關。

圖2　改進前的剎車力給定和響應波形

1.2剎車系統電磁干擾的產生機理

通過對各部件的分離測試分析發現，電機三相電流、EMAC輸出PWM波是主要干擾源，而電纜線路的耦合干擾則是造成剎車力反饋信號遭到干擾的主要原因。

1.2.1剎車系統電磁干擾的產生機理

由于研究的是電機三相電流電磁干擾的產生機理，為了不帶入PWM波的影響，設其占空比為100%。

電機穩定工作時，無刷直流電機的三相電流為非正弦周期函數，角頻率為ω0，以A相為例，其電流表達式為

式中，A0為A相電流的直流分量；A1cos（ω0t+φ1）為A相電流的基波分量，其角頻率與A相電流相同，A1為基波振幅，φ1為基波初相角；其他各項為A相電流的n次諧波。

（2）式給出了各次諧波幅值的計算公式。

系統工作時，電機轉速在0～4 500 r/min之間變化，電機為3對極，相電流基波頻率最大為225 Hz，產生的電磁場為低頻場，對外界設備的干擾，主要來源于近場感應。

1.2.2EMAC輸出PWM波電磁干擾產生機理

EMAC采用PWM方式控制電機，由于很大的du/dt，會在較寬的頻帶內形成很強的電磁干擾，高次諧波會對負載直接干擾，還會通過電纜向空間輻射，干擾臨近的電器設備。假設PWM波為理想的梯形波，上升下降時間相等，通過傅里葉變換可得到EMAC輸出電壓Ve（t）的幅頻特性［3］為

式中，Ud為PWM波幅值電壓；f0=1/T為PWM波的頻率，其中T為PWM波的周期；tr為PWM波的上升時間，與下降時間tf相等，d=ton/T為PWM波的占空比，其中ton為PWM波的開通時間。

設f0=10 kHz，Ud=160 V，tr=100 ns，n從1～3 000 r/min，分別取不同占空比d=0.02，d=0.1，d= 0.5和d=0.98，根據（3）式分別畫出Ve（t）的幅頻特性曲線，如圖3所示。

圖3　PWM占空比d對Ve幅頻特性的影響

從圖3中可以看出，當占空比d=0.02時，PWM在幾十兆赫茲甚至幾百兆赫茲時仍具有較大幅值，而連接電纜長度為10 m大于部分諧波信號波長，會對外部設備產生輻射干擾。

對比圖3中不同占空比對Ve幅頻特性的影響，可以發現當d=0.02和d=0.98時，Ve的幅頻特性相同，諧波頻帶很寬；當d=0.1時，頻帶減小，包含的高次諧波也相應減小，當d=0.5時頻帶最窄，包含的高次諧波最少。為減小輻射干擾，工作時，PWM波占空比應盡量接近50%。

1.2.3電纜線路耦合干擾

傳輸導線在電子電氣設備的電磁兼容問題中占有重要的地位，加有激勵的導線不僅會對臨近的導線產生串擾，還會產生輻射。可見，導線是導致設備和系統不能滿足有關電磁干擾限值要求的主要原因。

表1　EMA與EMAC連接電纜信號定義

EMAC與EMA連接電纜導線定義如表1所示，其傳遞信號包含電機三相PWM（0～160 V，20 kHz）強干擾源和力傳感器信號，力傳感器輸出4～20 mA電流，通過采樣電阻變為0.48～2.4 V電壓信號，二者通過1條電纜相連，存在著嚴重的電磁干擾問題，來自系統內部和外部的電磁干擾侵入力傳感器的輸出通道，會使測量數據出現采集誤差，影響剎車系統的可靠、安全運行。

電纜之間的形成相互耦合是全電剎車系統電磁干擾的主要原因之一，根據干擾產生的機理主要表現為電容性耦合、電感性耦合、電磁場輻射3種形式，其中電磁場輻射的干擾相對較小。下面主要分析2種耦合造成的干擾。

假設電纜弱耦合、有限長度、特性相同，且軸向電磁場為0。則被干擾電纜末端電壓VR可簡化為［4］

造成磁場耦合干擾的原因是2根導體之間的互感產生的耦合，如圖4所示，干擾導線上的電壓VG在被干擾導線上產生的磁場耦合干擾電壓為

式中：ω為干擾源導線1的信號角頻率；MW為單位長度上2根導線之間的互感；L為導線長度；ZLR為被干擾導線末端負載阻抗；Z0R為被干擾導線起始端阻抗；ZW為單位長度導線上的阻抗；Z0G為干擾導線起始端的阻抗；ZLG為干擾導線末端的阻抗。

圖4　兩導線之間的磁場耦合示意圖

圖5　兩導線之間的電場耦合示意圖

造成電場耦合的原因是2根導線之間的互電容耦合所產生的，如圖5所示。干擾導線在被干擾導線上形成的電場耦合干擾電壓為

式中，CWM為2根導線之間的互電容。

除了磁場耦合電壓和電場耦合電壓外，被干擾電纜上還存在一部分損耗稱之為耦合損耗電壓。其值為：

2　減小電磁干擾的方法

2.1減小線路耦合

根據（4）～（7）式，為減小低頻線路耦合干擾，可采用以下的設計方法［6］：

·減小電磁干擾源的強度，即減小VG大小；

·減小耦合場，即減小線路間的互感和互電容，即減小MW和CWM；

·設計負載阻抗使之不產生干擾，即合理設計Z0R、ZLR、Z0G和ZLG。

對于全電剎車系統，逆變器所引入的電磁干擾強度很難減小，而導線前級和后級阻抗為電路固有特性，很難有所改變，所以要解決全電剎車系統線路電磁干擾問題，減小耦合場是最有效和最方便的方法，具體可采用電磁屏蔽，線路膠合和有效接地的方法。

2.1.1電磁屏蔽

有效接地的屏蔽體上的電壓為零，所以被干擾導體上的噪聲電壓也為零，2根導線之間的互電容不存在了，干擾效應只決定于屏蔽體的轉移電容Ct，而乘積CtVs可以看成是穿透屏蔽體的干擾線電場在被干擾線上產生的感應電荷［6］。對于良導體來講，Ct很小，比整條線纜上的互電容CWML小的多，顯然產生的影響也要小得多。

由于ZW相對于Z0G、ZLG、Z0R、ZLR很小可以忽略，故（5）式可化為

干擾導線上流過的電流為：

則，（8）式可化為

相當于干擾導線在被干擾導線上感應的電壓VGR，在負載ZLR上的分壓，其中VGR為

如果屏蔽層兩端接地，由于干擾導線和屏蔽層之間互感MGS的存在，會在屏蔽層上感應出電壓VGS，此時磁場耦合電壓，應在VGR的基礎上，疊加一個屏蔽層在被干擾導線上感應的電壓VRS，如圖6所示，即

由于屏蔽層并沒有改變干擾導線和被干擾導線之間的幾何位置和空間磁場性質，所以被干擾導線受干擾導線的感應電壓VGR沒有受到影響。

圖6　電磁屏蔽對磁場耦合的作用示意圖

屏蔽層上流過的電流IGS為

式中，LS和RS為屏蔽層的自感和電阻。

據（10）式，屏蔽層在被干擾線上感應電壓VRS為

式中，屏蔽層與被干擾導線間的互感。

干擾導線在屏蔽層上的感應電壓VGS為

將（14）式代入（12）式，再代入（13）式，可得

由于所有磁通量都是由環繞中心導線的屏蔽層上的電流產生的，因此，屏蔽層與中心導線間的互感就等于屏蔽層的自感，即LS=MRS。

又因為相對干擾導線，屏蔽層和被干擾導線在空間位置相同，故MGS=MGR=MWL。

將（15）式和（10）式代入（11）式中，可得

即為一個定值，式中RS/LS稱為電纜屏蔽層的截止頻率ωc，當ω?ωc時，屏蔽電纜對磁場耦合具有很好的屏蔽。

2.1.2線路絞合

全電剎車系統本質上是一個無刷直流電機控制系統，電纜上的干擾主要來源于逆變器和電機本體相連的三相線，如果將三相線相絞合，由于控制電路和驅動電路控制逆變器使電機每一時刻導通兩相繞組，在每一時刻只有2根導線上有電流流過，絞合后，其產生的磁通相互抵消，可有效減小磁場耦合干擾，如圖7所示。

圖7　干擾導線絞合后的磁場耦合分析

導線絞合不僅能減少干擾導線所引起的磁通，而且可以減少被干擾導線感應電流的大小，如圖8所示。在外磁場作用下，2根導線上流過的感應電流方向相反，相互抵消。

圖8　被干擾導線絞合后的磁場耦合分析

2.1.3接地技術

從防止暫態過電壓看，屏蔽層采用兩點接地為好，兩點接地使電磁感應在屏蔽層上產生一個感應縱向電流，該電流產生一個與主干擾相反的二次場，抵消主干擾場的作用，使干擾電壓降低［7］。

從EMAC到EMA的控制電纜，由于其輸入和輸出均有一端在逆變器開關場的高壓環境中，電磁感應干擾是主要矛盾，且電機三相電纜芯所在回路為強電回路，因而外屏蔽層電流產生的干擾信號影響較小，所以必須采用兩點接地的方式。

但是，兩點接地存在2個問題：①當接地網上出現短路電流或雷擊電流時，由于電纜屏蔽層兩點的電位不同，使屏蔽層內流過電流，可能燒毀屏蔽層。②當屏蔽層內流過電流時，對傳感器芯線將產生干擾信號，所以對傳感器信號，電磁感應干擾比較而言矛盾不突出，而兩點接地產生的屏蔽層電流，對芯線產生干擾有可能使裝置誤動，故宜采用一點接地［7］。

對于雙層屏蔽電纜，內屏蔽應一端接地，外屏蔽應兩端接地，即雙屏蔽電纜的一端應使內層屏蔽與外層屏蔽焊接到一起，然后用接地線焊接引出到保護盤或光端設備終端上的接地銅排上，另一端只引出外屏蔽層接地。

2.1.4傳輸電纜設計

基于上述分析，首先應該定義系統電纜連接圖，再定義每一種連接的電氣參數定義連接器的插針，并對其進行分組，然后決定每組導線的扭轉和屏蔽情況，然后決定其屏蔽層接地情況。根據該設計流程，建立了全電剎車系統EMAC與EMA連接電纜設計需求表，如表2所示。

表2　EMAC與EMA連接電纜設計表

2.2電機驅動器無源EMI濾波器設計

電磁干擾的產生必須具備3個要素：干擾源、傳播途徑和敏感設備。任何一個元素的削弱，電磁干擾問題都會得到改善和解決。在2.1中討論了通過改善傳播途徑的方法抑制電磁干擾，本節針對EMAC輸出PWM波，設計無源EMI濾波器。

圖9　電機驅動器EMI濾波器拓撲

系統采用了如圖9所示的濾波器拓撲，包含共模濾波器和差模濾波器。差模濾波器主要是為了減緩EMAC輸出端PWM波的dv/dt，其在逆變器輸出側采用了3個差模電感Ld、3個阻尼電阻器Rd和3個星形連接的電感Cd，形成了1個低通濾波器用于減緩電機端的電壓變化速率，抑制電機端的電壓超調。共模濾波器采用了共模扼流圈，其共模電感Lc與電機三相和未接地的電機中性點以及輸入160 V直流電壓的中點通過串聯的共模電阻Rc和共模電容Cc組成1個電流環，可以有效減小電機端的共模電壓［8］。

3　試驗結果

根據2.1.4節對線纜的改造，剎車力反饋信號上疊加的干擾得到了很大程度抑制，如圖10所示。

圖10　采用傳輸電纜重設計后的剎車力給定和反饋信號

但由于電纜無法做到完全屏蔽，信號上依然疊加有不小的干擾。考慮到通過減小干擾源，也可減小力傳感器的干擾，給原有逆變器電路安裝了如2.2節所示的電機驅動器濾波器，其剎車力反饋信號如圖11所示，可以看出剎車力反饋信號上只疊加了很小的干擾，干擾信號已經滿足要求，通過軟件濾波后，不會對剎車力閉環造成較大影響。

圖11　增加電機驅動器EMI濾波器后的剎車力給定和反饋波形

4　結 論

本文分析了力傳感器信號上疊加的干擾，研究了系統電磁干擾的產生機理，得出電機三相電流和EMAC輸出PWM波是主要干擾源，而電纜線路的耦合干擾是造成干擾的主要原因，并據此建立了線路耦合干擾的數學模型，根據模型，提出通過改進EMAC與EMA之間連接電纜，以及設計電機驅動器無源EMI濾波器的方式，消除力傳感器反饋信號上疊加的干擾。通過試驗驗證，改進后的系統有效地消除了力傳感器反饋信號上疊加的干擾，提高了系統的電磁兼容性，保證了系統能夠正常工作。

［1］ 李洪果，王鍇，吳瑞祥，等.飛機全電剎車系統研究［J］.北京航空航天大學學報，2004，30（4）：339-343

Li Hongguo，Wang Kai，Wu Ruixiang，et al.Demonstration of an Plane Electrically Actuated Brake［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2004，30（4）：339-343（in Chinese）

［2］ Hirofumi Akagi，Takayuki Shimizu.Attenuation of Conducted EMI Emissions From an Inverter-Driven Motor［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2008，23（1）：282-290

［3］ 汪泉弟，劉青松，安宗裕，等.混合動力客車低頻電磁輻射機理及抑制方法［J］.電工技術學報，2014，29（1）：202-207

Wang Quandi，Liu Qingsong，An Zongyu，et al.Electromagnetic Radiation Mechanism and Noise Suppression Method for Hybrid Electric Bus［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（1）：202-207（in Chinese）

［4］ Olsen R G.A Simple Model for Weakly Coupled Lossy Transmission Lines of Finite Length［J］.IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility，1984，26（2）：79-83

［5］ Cory H，Shiran S.The Importance of Losses in the Coupling of Transmission Lines［J］.IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility，1988，30（4）：567-570

［6］ Tesche F M，Ianoz M V，Karlsson T.EMC Analysis Methods and Computational Models［M］.Wiley Interscience，New York，1997：90-91

［7］ 劉帆，陳柏超，卞利鋼.變電站二次電纜屏蔽層接地方式探討［J］.電網技術，2003（02）：63-67

Liu Fan，Chen Baichao，Bian Ligang.Discussion on Shielded Grounding Mode of Cables in Secondary Circuits of Substations ［J］.Power System Technology，2003（02）：63-67（in Chinese）

［8］ Akagi H，Shimizu T.Attenuation of Conducted EMI Emissions from an Inverter-Driven Motor［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2008，23（1）：282-290

Mechanism for Electro-Magnetic Interference in an Aircraft′s Electric Braking System and Its Suppression Method

Xiangli Kang，Ma Ruiqing，Zhang Qingchao，Han Weijian，Deng Junjun
（Department of Automation Control，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

This paper deals with the problem that the signals of the force sensor of an aircraft′s electric braking system are superimposed with high-amplitude interference.The analysis of the electric braking system shows that the three-phase current of its motor and the pulse width modulation（PWM）wave output by the electro-mechanical actuator controller（EMAC）are the primary sources of interference and that the coupling interference between cable lines is the main cause of the interference of signals of the force sensor.The mathematical model of coupling interference between cable lines is established，according to which the transmission cable is designed and the line coupling was reduced by using electromagnetic shielding，line twisting and effective grounding.A passive electromagnetic interference（EMI）filter is designed for the output end of the EMAC.Through these improvements，the interference superimposed on the force sensor is greatly reduced.The paper also improves the electromagnetic compatibility of the electric braking system and ensures that the braking force servo system works normally.

aircraft，braking，brushless DC motors，design，design of experiments，efficiency，electromagnetic shielding，fast Fourier transforms，interference suppression，mathematical models，pulse width modulation，sensors，schematic diagrams，topology，electric braking system，electromagnetic interference （EMI），EMI filter，transmission cable.

V242.4

A

1000-2758（2015）06-0994-07

2015-04-24

相里康（1988—），西北工業大學博士研究生，主要從事飛機全電剎車系統及其關鍵技術的研究。