高精度非接觸磁浮機(jī)構(gòu)電磁干擾特性分析

謝進(jìn)進(jìn)，劉 勝，胡 曉，趙艷彬，趙洪波，邱 揚(yáng)

(1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109； 2. 西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

未來(lái)航天技術(shù)(如空間科學(xué)、高分敏捷遙感等)的發(fā)展對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的控制精度提出了比現(xiàn)有水平超過(guò)2個(gè)量級(jí)的指標(biāo)需求。雙超平臺(tái)基于“動(dòng)靜隔離，主從協(xié)同”的設(shè)計(jì)理念，采用非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)的動(dòng)靜隔離設(shè)計(jì)，將衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)成空間獨(dú)立而又有機(jī)結(jié)合的載荷艙和平臺(tái)艙兩部分，從而使安裝活動(dòng)和撓性部件的平臺(tái)艙振動(dòng)和干擾不會(huì)傳輸至載荷艙，空間上達(dá)到振動(dòng)隔離的效果?？刂粕?，雙超平臺(tái)采用載荷艙主動(dòng)、平臺(tái)艙從動(dòng)、兩艙協(xié)同解耦的控制策略，滿足載荷的高性能指標(biāo)需求。雙超平臺(tái)已成為未來(lái)超高指向精度、超高穩(wěn)定度航天器的理想選擇[1-4]。

非接觸磁浮機(jī)構(gòu)是雙超平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)靜隔離非接觸，主從協(xié)同高精度”的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其輸出力精度對(duì)雙超平臺(tái)姿態(tài)控制精度有重要影響[5]。與傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)相比，雙超平臺(tái)中新引入的非接觸磁浮機(jī)構(gòu)由于采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的控制，因此可能會(huì)與星上其余單機(jī)之間產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題。PWM驅(qū)動(dòng)方式以往通常應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。隨著伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的電壓電流隨時(shí)間的變化速率越來(lái)越快，PWM驅(qū)動(dòng)方式造成的電磁干擾也越來(lái)越嚴(yán)重，甚至影響到了整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容特性。因此，許多學(xué)者開(kāi)始就PWM控制驅(qū)動(dòng)的電磁干擾及其對(duì)系統(tǒng)的電磁影響展開(kāi)分析研究。例如：WANG等[6]為減少PWM對(duì)系統(tǒng)的電磁干擾，提出了新的PWM調(diào)制方式；段建東[7]針對(duì)感應(yīng)電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所存在的傳導(dǎo)干擾進(jìn)行分析和研究，得到了PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的傳導(dǎo)干擾時(shí)、頻域特征；王舉賢[8]采用時(shí)域模擬實(shí)際測(cè)試的方法建立了包含PWM逆變器、感應(yīng)電機(jī)和傳輸線纜在內(nèi)的系統(tǒng)級(jí)傳導(dǎo)干擾模型，并通過(guò)系統(tǒng)仿真最終得到了共模電磁干擾電壓在頻域的分布特征。從上述研究中可以看出，PWM電磁干擾會(huì)導(dǎo)致很?chē)?yán)重的電磁兼容問(wèn)題。磁浮機(jī)構(gòu)PWM控制信號(hào)可能會(huì)影響星上其他單機(jī)的正常工作，也可能會(huì)因受其他單機(jī)的影響而降低輸出精度，從而使雙超衛(wèi)星姿控精度下降。然而，目前針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)中的PWM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電磁干擾問(wèn)題并未開(kāi)展深入研究。

本文針對(duì)雙超平臺(tái)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的PWM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，基于理論方法和仿真分析，分別對(duì)PWM控制信號(hào)的輻射電磁干擾和傳導(dǎo)電磁干擾的時(shí)域及頻域特性進(jìn)行研究，并將分析結(jié)果與星上其余單機(jī)的頻率特性進(jìn)行比對(duì)，證實(shí)磁浮機(jī)構(gòu)PWM控制信號(hào)不會(huì)對(duì)衛(wèi)星射頻通信設(shè)備造成電磁干擾。

1 非接觸磁浮機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)器工作原理

非接觸磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖1所示，其基于洛倫茲力原理產(chǎn)生控制所需的輸出力，電渦流位移傳感器則用于測(cè)量?jī)膳撻g的相對(duì)位置。

圖1 磁浮機(jī)構(gòu)實(shí)物圖Fig.1 Physical map of magnetic device

磁浮機(jī)構(gòu)信息流程如圖2所示。磁浮機(jī)構(gòu)中的磁鋼提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)B。將有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)的線圈放置在磁場(chǎng)B中，當(dāng)線圈中通入電流I時(shí)，線圈會(huì)受到水平方向的洛倫茲力F，即

F=(I×B)L

(1)

圖2 磁浮機(jī)構(gòu)信息流程圖Fig.2 Information flowchart of magnetic device

改變線圈電流I的大小和方向，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)洛倫茲力F的控制。由磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)載荷艙通信終端發(fā)出的控制電流指令，從而實(shí)現(xiàn)磁浮機(jī)構(gòu)對(duì)載荷艙姿態(tài)及兩艙相對(duì)位置的控制。

磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器是磁浮機(jī)構(gòu)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。以PWM開(kāi)關(guān)功放為例進(jìn)行分析。圖3為磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器主電路的原理圖。圖中：V1～V4為4個(gè)開(kāi)關(guān)管，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載在開(kāi)關(guān)管的柵極。當(dāng)控制信號(hào)給V1高電平時(shí)，V1導(dǎo)通，同時(shí)V3也導(dǎo)通，V2和V4不導(dǎo)通；當(dāng)控制信號(hào)給V1低電平時(shí)，V1和V3不導(dǎo)通，V2和V4導(dǎo)通。在驅(qū)動(dòng)器正常工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管V1與V3不斷地交替開(kāi)通和關(guān)斷，其源極與漏極之間的電壓無(wú)法瞬時(shí)上升和下降，因此，開(kāi)關(guān)管的源極與漏極之間的電壓波形是具有短暫上升和下降時(shí)間的梯形波。經(jīng)分析可知，非接觸磁浮機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)器的電磁干擾源主要包括PWM控制信號(hào)的高頻諧波分量、傳導(dǎo)電磁干擾等[9-12]。

圖3 磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器主電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of magnetic device driver main circuit

2 驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)高頻干擾分析

磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的PWM控制信號(hào)由于自身特征，會(huì)產(chǎn)生主要以開(kāi)關(guān)頻率為基頻的高頻干擾。在非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程中，激勵(lì)線圈中會(huì)有不同方向的PWM電流信號(hào)通過(guò)，因此其激勵(lì)器一般采用H橋電路，如圖4所示。線圈可等效為阻抗為Z的元件，Ud為驅(qū)動(dòng)電源電壓。H橋電路由4個(gè)開(kāi)關(guān)管和4個(gè)續(xù)流二極管組成，為單電源供電。4個(gè)開(kāi)關(guān)管分成2組，V1和V3為一組，V2和V4為另一組，其控制信號(hào)為PWM信號(hào)。雙極性正弦脈寬調(diào)制(SPWM)是最為常見(jiàn)的一種PWM信號(hào)，下面以雙極性SPWM信號(hào)控制為例，分析H橋驅(qū)動(dòng)輸入輸出的時(shí)頻域特性。

圖4 H橋電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of H-bridge circuit

SPWM是根據(jù)面積等效原理，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形，即SPWM波形控制電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等。以正弦波為調(diào)制信號(hào)，等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波幅值大于載波幅值時(shí)，輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，否則輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，由此得到的就是SPWM波形[13]。

圖5為SPWM示意圖。設(shè)Uo為線圈兩端輸出電壓，Ud為驅(qū)動(dòng)電源電壓，Ur為調(diào)制波最大電壓，ur為調(diào)制波信號(hào)，ωr為調(diào)制波頻率，Uc為載波最大電壓，uc為載波信號(hào)，ωc為載波頻率，θ1和θ2為調(diào)制波和載波的2個(gè)交點(diǎn)，mf為調(diào)制比，則有

(2)

圖5 SPWM示意圖Fig.5 Schematic diagram of SPWM

令調(diào)制波信號(hào)函數(shù)為

ur=Ursin(ωrt+φ)

(3)

式中：φ為初始相位。設(shè)載波信號(hào)的周期為2π，取一個(gè)載波周期，則在一個(gè)載波周期中得到的輸出電壓

(4)

整理可得

(5)

對(duì)式(5)進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，有

(6)

由于輸出波形為偶函數(shù)，因此有bn=0。

(7)

由式(7)可得

(8)

根據(jù)式(8)，只要求解出θ1和θ2，就可得出a0和an的解。圖6為SPWM調(diào)制中的幾何關(guān)系示意圖，由相似三角形原理，有

(9)

圖6 SPWM中幾何關(guān)系示意圖Fig.6 Geometric relationship in SPWM

由此可解得θ1和θ2，即

(10)

從而可得a0和an，即

(11)

由此，SPWM輸出電壓的傅里葉級(jí)數(shù)為

n=1,2,…

(12)

可得基波成分為

(13)

令諧波成分為Uoh，即

Uoh=

(14)

由貝塞爾公式

(15)

可得Uo的SPWM調(diào)制輸出電壓諧波為

(16)

從式(16)可以看出，線圈兩端輸出電壓中的諧波成分為

(17)

針對(duì)控制信號(hào)高頻干擾展開(kāi)仿真分析。采用MATLAB/Simulink建立H橋電路，仿真得到其輸入輸出時(shí)頻域特性。首先給出負(fù)載為純電阻時(shí)的時(shí)域波形仿真結(jié)果，如圖7所示。圖中：V1/3和V2/4為開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)；Idc為直流側(cè)電流；Io和Uo分別為負(fù)載端電流和電壓。

圖7 純電阻負(fù)載H橋電路輸入輸出時(shí)域特性Fig.7 Time-domain input-output characteristics of H-bridge circuit with resistive load

從圖7可以看出，在SPWM信號(hào)的控制下，負(fù)載端電壓和電流也為SPWM信號(hào)，Idc為直流信號(hào)，但實(shí)際中為防止同一橋臂2個(gè)開(kāi)關(guān)管直通，往往會(huì)在2路控制信號(hào)間加入延遲時(shí)間，成為死區(qū)時(shí)間，即在開(kāi)關(guān)管1和3關(guān)斷后延遲一段時(shí)間后，再讓開(kāi)關(guān)管2和4導(dǎo)通，因此在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電路電流為零，Idc就變?yōu)槊}動(dòng)的直流信號(hào)。實(shí)際中激勵(lì)線圈為阻感性負(fù)載，負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)H橋電路的輸入輸出時(shí)域特性如圖8所示。

圖8 阻感性負(fù)載H橋電路輸入輸出時(shí)域特性Fig.8 Time-domain input-output characteristics of H-bridge circuit with resistance inductive load

比較圖7，8可發(fā)現(xiàn)，Idc和Io波形均發(fā)生了變化，尤其是Idc表現(xiàn)為脈動(dòng)的直流，其原因在于負(fù)載電感的儲(chǔ)能作用，導(dǎo)致負(fù)載電流不能突變，這從Io波形的變化上就可發(fā)現(xiàn)。

以開(kāi)關(guān)管V1和V3為例，當(dāng)其導(dǎo)通時(shí)，電流流向如圖9(a)所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管V1和V3由導(dǎo)通狀態(tài)向關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，負(fù)載電感的儲(chǔ)能作用，使得負(fù)載電流不能突變，負(fù)載相當(dāng)于一個(gè)電流源，將電感儲(chǔ)能通過(guò)二極管VD2和VD4續(xù)流，其電流流向如圖9(b)所示，此時(shí)直流側(cè)電流反向，這就是直流側(cè)電流脈動(dòng)的原因。

圖9 V1和V3導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)電流流通路徑Fig.9 Current flow paths during turn-onand turn-off of V1 and V3

以上分析了阻感性負(fù)載時(shí)H橋電路的輸入輸出時(shí)域特性，下面分析其頻域特性。直流側(cè)電流Idc的頻譜圖如圖10所示。仿真中SPWM控制信號(hào)的載波信號(hào)頻率(開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率)為750 Hz，調(diào)制波信號(hào)頻率為50 Hz。

圖10 直流側(cè)電流Idc頻譜圖Fig.10 Frequency spectrum of Idc

圖11 負(fù)載端電壓和電流信號(hào)的頻譜特性Fig.11 Frequency spectrum characteristics ofvoltage and current in load side

從圖10可以看出，直流側(cè)除了直流信號(hào)外，其頻譜中還包含了一些與開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制波頻率有關(guān)的諧波信號(hào)，可描述為

(18)

圖11(a)，11(b)分別為負(fù)載端電壓和電流信號(hào)的頻譜特性。從圖11可以得出，負(fù)載端電壓和電流的頻譜特性一樣，其諧波成分同樣與開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制波頻率有關(guān)，可描述為

(19)

綜合上述分析可知，采用SPWM控制的驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致電源線和激勵(lì)線圈上產(chǎn)生一些與開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制波頻率相關(guān)的諧波干擾信號(hào)。經(jīng)過(guò)分析可知，該類(lèi)諧波干擾信號(hào)的頻率與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率越高，諧波干擾頻率就越高。由于一般開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲，因此諧波干擾頻率可達(dá)百兆赫茲。

3 驅(qū)動(dòng)器傳導(dǎo)電磁干擾分析

在磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器中，理想的驅(qū)動(dòng)PWM波形是方波，但實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷有一定的時(shí)間，并不能輸出理想波形。在開(kāi)關(guān)器件工作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電壓變化率dV/dt，使得產(chǎn)生的PWM驅(qū)動(dòng)波形近似梯形[14]。在磁浮機(jī)構(gòu)線圈驅(qū)動(dòng)器工作過(guò)程中，實(shí)際電壓脈沖波形的上升沿與下降沿是非線性的，不便于直接對(duì)其進(jìn)行頻譜研究，因此用理想的梯形波形來(lái)近似模擬電壓脈沖波形，即假設(shè)上升沿和下降沿是線性的，且上升時(shí)間與下降時(shí)間相等，如圖12所示。圖中：VDC為梯形波形幅值電壓；T為梯形波周期；tr與tf分別為梯形波上升時(shí)間與下降時(shí)間，且tr=tf；t0為脈沖波形開(kāi)始時(shí)間，為方便分析，將t0設(shè)為0；ton為半幅度值處上升沿與下降沿之間的時(shí)間間隔。

圖12 梯形脈沖波形示意圖Fig.12 Schematic diagram of trapezoidal pulse waveform

則理想梯形波的時(shí)域表達(dá)式為

(20)

將式(20)經(jīng)傅里葉變換，得到電壓V(t)的幅頻特性，即

(21)

圖13 dV/dt梯形波的幅頻特性Fig.13 Amplitude-frequency characteristics of dV/dt trapezoidal waves

梯形波產(chǎn)生電壓變化率dV/dt時(shí)，電壓頻譜特性仿真分析如圖13所示。從圖13可以看出，當(dāng)頻率達(dá)到100 MHz時(shí)，電壓幅值已接近10-5V，即頻率到100 MHz時(shí)干擾電壓已衰減到極小的值，可見(jiàn)傳導(dǎo)電磁干擾頻率最高為100 MHz。

4 與星上其他單機(jī)對(duì)比

由以上分析可知磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)無(wú)論是高頻輻射干擾還是傳導(dǎo)電磁干擾，其干擾頻率范圍均可達(dá)到100 MHz。高頻輻射干擾會(huì)對(duì)無(wú)線設(shè)備通信產(chǎn)生干擾，而傳導(dǎo)電磁干擾則會(huì)通過(guò)傳輸電纜間的相互耦合對(duì)電纜上的傳輸信號(hào)造成干擾。因此，需要對(duì)衛(wèi)星上的通信設(shè)備的頻譜進(jìn)行分析，以判斷磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)是否會(huì)對(duì)平臺(tái)設(shè)備造成干擾。

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的系統(tǒng)組成進(jìn)行分析，衛(wèi)星平臺(tái)可能受到電磁干擾的主要通信設(shè)備包括USB應(yīng)答機(jī)、測(cè)控設(shè)備、GPS接收機(jī)、數(shù)傳設(shè)備等。這些單機(jī)的通信頻率與非接觸磁浮機(jī)構(gòu)控制信號(hào)高頻干擾和傳導(dǎo)電磁干擾的頻率覆蓋如圖14所示。

圖14 有效載荷和PWM信號(hào)頻譜Fig.14 Frequency spectrum ofpayload and PWM signals

從圖14可以看出，非接觸磁浮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)高頻輻射干擾及傳導(dǎo)電磁干擾頻率與GPS、測(cè)控、數(shù)傳等高頻無(wú)線通信相差較大，對(duì)這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾很小。

5 結(jié)論

本文主要研究了雙超平臺(tái)的姿控關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)非接觸磁浮機(jī)構(gòu)的電磁干擾特性，介紹了磁浮機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)器工作原理，分別針對(duì)驅(qū)動(dòng)器PWM控制信號(hào)產(chǎn)生的高頻干擾和傳導(dǎo)電磁干擾特性開(kāi)展了理論和仿真分析，并將其頻率特性與星上其他典型單機(jī)的工作頻率特性進(jìn)行了比對(duì)。通過(guò)對(duì)比分析可以看出非接觸磁浮機(jī)構(gòu)干擾信號(hào)的頻率與星上其他典型單機(jī)之間的頻率間隔較大，相互之間產(chǎn)生的電磁干擾可忽略。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步分析磁浮機(jī)構(gòu)PWM控制干擾信號(hào)對(duì)星上各類(lèi)傳輸線纜的電磁耦合問(wèn)題，為非接觸磁浮機(jī)構(gòu)及雙超平臺(tái)早日在軌應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。