2021, Vol. 43
“全电化”舰船装备了大量电力电子设备，且某些设备功率级别很高，加上舰船错综复杂的电缆网，形成了一个复杂的电磁场环境，许多设备在单机情况下可正常运行，但装舰后出现与其它设备同时运行时发生功能丧失或性能降低的情况。机电伺服系统因其具有结构紧凑、高比功率、高控制精度、低振动噪声及高可靠性等突出特点，近年来中小功率机电伺服系统在航空航天领域得到了广泛应用，舰船领域应用分布式大功率机电伺服系统取代传统阀控集中式全船液压伺服系统有着广阔的应用前景，成为实现新一代“全电化”舰船的重要环节之一，机电伺服系统本质上是对电机的驱动控制，其输出功率与负载相关，设备运行中电机频繁换向，功率随负载动态变化，因此电磁兼容问题比较凸显。
电磁兼容控制简单来说分为2个方面，一方面是消除或抑制设备自身的电磁干扰，确保设备不干扰舰上其他设备；另一方面是增强设备自身抗干扰能力，抵御舰上复杂电磁环境下的电磁干扰，确保设备自身正常工作。对于舰船大功率机电伺服系统这样的复杂机电设备，需要采用综合控制方法才能有效地解决电磁兼容问题。
1 电磁兼容综合控制思路 1.1 舰船电磁环境特点电磁干扰按其传递方式可分为传导干扰和辐射干扰，其中传导干扰是通过完整的电路或导体来传递电磁能量，辐射干扰则是以电磁波的形式通过空间传播电磁能量。
对于水面舰船，电磁环境包含露天区和舱内区。
露天区电磁环境具有多辐射源电磁场叠加耦合的特点，其主要发射源是舰上的各种通信、导航、探测、电子战发射天线[1]。
舱内区电磁环境因素主要包括：设备外壳电磁密封不严或接地不良导致的电场和磁场辐射泄漏；显示器、电缆网、管路、舱门等电磁屏蔽处理不当或接地不良引起的电磁辐射干扰；各种整流器、逆变电源、开关电源对电网产生的传导干扰以及设备电源电路设计不完善造成的对电源网络的传导干扰等[2]。
而对于水下舰船，电磁环境主要包含舰面区域、舱内动力/发电变电设备布置区域和舱内电子敏感布置区域。
舰面区域内各种射频天线集中布置，以电场辐射为主；舱内动力系统/发电变电设备布置区域包含各种大功率电力电子变换设备，电磁环境恶劣，主要是控制区域内设备自兼容以及传导干扰通过电缆和地电流耦合对舰上其他区域的影响；舱内电子敏感设备布置区域包含各种敏感电子设备，电磁环境较好，主要是解决区域内设备自兼容及防止外部电磁干扰通过电缆和地电流耦合对该区域内设备的干扰[3]。
1.2 机电伺服系统电磁环境特点机电伺服系统通过功率电传（Power By Wire，PBW）来实现电能向机械能转化，主要实现方式包括机电静压作动器(Electro-Hydrostatic Actuators，EHA)和机电作动器（Electro-Mechanical Actuators，EMA）两种。EHA通过伺服电机控制双向恒量泵的转速和方向，由液压作动器推动负载实现位移和速度控制；EMA通过控制电信号来驱动控制伺服电机，并通过行星滚柱丝杠等机械传动装置来推动负载实现位移和速度控制。
机电伺服系统本质上是对电机的驱动和控制，主要干扰源为高速半导体开关器件（IGBT），DC/DC模块和二次开关电源中的高频开关（MOSFET），这些电力电子元件产生的高频电磁干扰信号又会通过电源电缆传导方式或耦合辐射方式对系统自身或系统外其它设备产生高频电磁干扰。
IGBT正常工作下会产生高速导通和关断，因此在电机驱动系统电路中会产生高频的du/dt以及其高次谐波；同时又由于整个电机系统电路中存在着大量寄生电容，因此这些寄生电容会被不断的充放电，进而产生了高频共模电流，共模电流通过三相线缆、寄生电容、电机外壳与地形成回路，最终导致整个伺服系统的共模干扰[4]。
在电机控制器输出的高频驱动信号作用下，IGBT高速导通和关断，使得电机系统的电路中产生高频的di/dt以及其高次谐波；同时由于整个电机系统电路中存在着大量杂散电感，导致各包括三相线缆和直流线缆在内的电回路之间产生较大的电磁干扰，导致了整个系统差模干扰的产生[4]。此外，电机运行过程中激励电流作用在绕组、永磁体及杂散电感上，还会产生低频电磁干扰。
DC/DC模块及二次电源多采用MOSFET作为功率开关器件，功率MOSFET，整流二极管和滤波电容构成的高频电流回路产生的磁场辐射，连接功率MOSFET的漏极，整流二极管的阳极和电感的高du/dt 导体产生的电场辐射，也会以产生传导干扰通过输入输出线向外传递[5]。
1.3 电磁兼容设计通用方法谈到电磁兼容的设计，就必须提到电磁兼容三要素，即电磁干扰源、耦合途径和敏感设备。在电磁兼容设计时，要从上述3个要素分析，分别采取针对性措施，才能有效解决电磁兼容问题。
当前解决电磁兼容问题主要遵循以下4种通用方法，即滤波、接地、屏蔽和隔离。滤波是指在设备电源或信号进口端采取措施进行噪声滤除，以减少和释放干扰；接地则是将干扰源接地以减少干扰的泄出量，或将被干扰设备接地以将部分外界干扰引至艇体以减少对设备的影响；屏蔽和隔离是指在干扰或被干扰设备之间形成物理的电磁护层，切断或减弱干扰的电气和空间的传递[6]。针对低频磁辐射屏蔽，优选高导磁率材料如镍铁合金（如坡莫合金），而针对高频电辐射屏蔽，应选用高导电率材料，如铜或铝等。
1.4 电磁兼容设计流程结合舰船和机电伺服系统电磁特点及实际工程经验，电磁兼容设计时可遵循以下设计流程，如图1所示。
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图 1 电磁兼容设计流程 Fig. 1 Flow chart of the electromagnetic compatibility design |
某舰船配套机电伺服系统由高压直流电源、操纵台、执行机构、动力集成单元、电控柜和外部电缆网组成，如图2所示。
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图 2 机电伺服系统组成图 Fig. 2 Components of the mechatronic servo system |
EHA执行机构主要由作动器壳体，活塞杆、壳体端盖、密封件、油管和位移传感器等组成；EMA执行机构主要包含壳体、丝杠运动副、伺服电机和位移传感器（旋转变压器或编码器）等。
设计时可遵循以下原则：涉及机电伺服闭环控制的关键传感器（如位移传感器、旋转变压器或编码器等）尽量采用数字式传感器，相比模拟式传感器，数字式传感器具有更强的抗电磁干扰能力；传感器的差分信号线应进行双绞处理，引出线外部采用金属丝网编织防波套（镀锡铜），防波套应与执行机构保持可靠连接，执行机构应可靠接地以减小传导干扰。在不影响维护的条件下，传感器应尽量安装在执行机构内部，执行机构的金属壳体可起到良好的屏蔽作用，金属壳体应进行退磁处理，从而降低辐射干扰。
2.2 动力集成单元对于分布式EHA机电伺服系统，动力集成单元是指驱动EHA执行机构运动的动力模块，主要由集成阀块、液压控制元件、传感器（压力、温度、油面等）、液压泵和伺服电机（内置旋转变压器）组成。其中传感器和伺服电机是电磁兼容的敏感设备，主要因为驱动控制器内部IGBT和DC/DC模块产生的电磁干扰通过电源和信号线缆传递所致，切断干扰源的传递路径是有效措施之一。伺服电机本身也是电磁干扰源，电机本体会产生低频电磁干扰，设计时应保持电机壳体结构的连续性，电连接器采用导电胶垫与壳体共地，减少开孔，防止电磁辐射泄漏。同时，对电机壳体进行表面处理时，应注意保持对外安装面的导电性，保证动力集成单元是一个连续的导体，动力集成单元同时应可靠接地。
2.3 驱动控制器驱动控制器是机电伺服系统电磁干扰的重要源头，因此电磁兼容性设计时应重点关注PCB制板和驱动控制器壳体电磁防护两大关键环节。
2.3.1 PCB制板1）DC/DC模块I/O端均采用低通差模滤波器进行滤波，抑制尖峰、瞬态干扰，减少电源与控制电路的相互干扰；
2）采用高速光耦来实现控制与驱动单元的隔离；
3）数字地与模拟地隔离，采用专用的数字地接地装置引出至电控柜表面，并最终连接至船上数字地专用接地点；
4）对于位移传感器等关键传感器的供电，DC/DC采用单独模块，使系统中的传感器与控制器内部其他供电隔离，减少干扰；
5）电路板合理分区，尽量做到强、弱电分区，数字、模拟信号分区；
采用多层电路板设计以减小电源、地的寄生电感；多层PCB设计中一般需要采用20H和2W原则来确定印制线条间距和边距[7]。
2.3.2 驱动控制器壳体防护1）驱动控制器壳体采用铝质材料整体成型，尽量减少开孔，壳体采用导电阳极化镀层，壳体边沿圆弧过渡，避免尖角形成发射天线；
2）驱动控制器壳体上盖以及电连接器与壳体本体之间应采用导电密封垫，使上盖、电连接器与壳体之间形成连续屏蔽体。
2.4 电控柜电控柜是电磁兼容综合控制的重点之一，因内置众多电力电子元件，包括电磁干扰源：驱动控制器中的IGBT、DC/DC模块以及柜体内的二次电源，加上内部电缆网的传导干扰和耦合辐射干扰，电磁环境异常复杂。此外，由于安装维护、吊装、指示、信号传输和散热等要求，柜体与柜门不同部位存在各类缝隙和通孔，给电控柜电磁兼容设计带来巨大挑战。根据工程设计经验，应从以下几方面入手，如图3所示。
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图 3 电控柜外形图 Fig. 3 Diagram of the electric control cabinet |
直流电源进入电控柜后采用低通滤波器，后端电源调理模块也内置滤波电路，采用无感吸收电容对电源进行滤波，降低电源对系统的干扰，同时也可滤除一部分IGBT通断时产生开关噪声，滤波电容后端再串入一个低通滤波器后进入驱动控制器。对于柜体内的二次电源也内置滤波电路以消除MOSFET高频开关时产生的传递干扰。
实际工程应用中，滤波器经常无法达到预期效果，除参数匹配原因外，还需考虑如下因素：
1）滤波器与电控柜体间的安装平面应具有较好的导电性，确保接地良好，且与其他模块间的连接线应尽量短；
2）滤波器内部所用电感的铁芯应具有低磁导率、高饱和磁通密度，避免电感饱和现象。
2.4.2 柜体防护在满足使用维护的前提下，尽量保持柜体结构的连续性，并采用良导体，如铝、铜等；柜体缝隙及通孔安装面应保持金属基体，或喷涂导电涂层；安装面的沟槽内填充铍铜簧片、金属丝网衬垫或铜箔带等电磁屏蔽材料。
2.4.3 柜门视窗防护柜门视窗开口处选用屏蔽玻璃（镀膜玻璃或夹丝网玻璃等）进行电磁屏蔽。为增强显示元件抗电磁干扰的能力，为其设计金属屏蔽罩（材质为坡莫合金）并在安装处用导电密封条和短螺钉保持与柜门的结构连续性，柜门视窗内的多路弱电信号汇集在一个电连接器进行信号传输。
2.4.4 螺钉防护电控柜对外螺钉建议采用不锈钢螺钉或具备良好导电涂层的螺钉，安装时采用金属丝网组合衬垫用于填充螺钉与安装面的缝隙。
2.4.5 插座防护插座与柜体连接部位容易造成电磁泄露，一般做法是采用导电橡胶垫，以保持插座与柜体的连续性；但导电胶垫易氧化，从而造成导电性能下降；为此，应对插座与柜体接缝处采取必要防护措施，避免屏蔽效能降低现象的发生。
2.4.6 内部电缆网防护柜体内部电缆网电源线与信号线应分开布置，进线和回线尽量绑扎在一起，避免形成环形回路；对于差分信号应进行双绞处理，电缆不便安装防波套时可采用屏蔽热缩管。
2.4.7 电控柜接地电控柜内各电力电子元件应与支架可靠连接，柜门与柜体之间采用镀锡包铜钢编织带连接，各元件采用单点接地方式接在柜体接线柱上，接线柱在设计允许的情况下应尽量粗，以减小接地阻抗。
2.5 外部电缆网对于外部电缆网，辐射干扰是最常见的电磁兼容问题之一，电缆网由于长度较长，敷设后会形成天线，既是辐射天线，又是接收天线。线缆产生辐射的机理有2种，一种是线缆中的信号电流（差模电流）回路产生的差模辐射，另一种是线缆共模电流通过线缆与地形成较大的环形天线，从而产品辐射干扰[8]。
电缆网设计时，电源线与信号线应分开；强电信号与弱电信号要分区，并且尽量避免交叉；对于差分信号，信号线应进行双绞。线缆推荐采用分屏蔽层（裸铜带）+总屏蔽套（镀锡铜丝编织）的方式进行双层屏蔽，电屏蔽和磁屏蔽材料结合使用，可以有效降低电磁辐射干扰。线缆两端与电连接器连接推荐选用带Ti-Ni环的尾罩，可实现总屏蔽套与插头和尾罩360°屏蔽；对于电源线缆，特别是交流电源线，电连接器外部可采用屏蔽缠带进行屏蔽加强处理（蒙乃尔屏蔽缠带），可有效降低电源线的磁场辐射；此外，外部电缆网在满足使用条件的前提下应尽量短，避免交叉或环状布置，形成环形天线。
2.6 控制策略合理设置IGBT开关频率，IGBT开关频率设置时应兼顾驱动控制器的热设计、系统振动噪声测试频段及系统动态响应要求。在满足动态要求的前提下，伺服机构启动和换向时应平滑过渡，减小启动和换向瞬态电压和电流的脉动。
对于IGBT的控制策略，一些学者着眼于 EMI 的源头，对功率芯片MOSFET和IGBT的控制策略展开研究，通过适当的门极控制，来减小逆变器侧的MOSFET和IGBT关断过程中的 du/dt和电压振荡，这样既可以降低逆变器侧的du/dt和di/dt，同时也能有效的抑制电机侧的 du/dt和di/dt[9]。本文中机电伺服系统采用的是传统SVPWM三环控制策略，优化的IGBT控制策略将作为后续完善工作之一。
3 电磁兼容测试验证情况本文所述机电伺服系统按GJB151B-2013中相关规定进行了CE101，CE102，CS101，CS106，CS114，CS116，RE101，RE102，RS101，RS103和对地电容共计11项测试，除CE101，CE102和RE102外，其余项目均一次性顺利通过。经分析，造成CE101不通过的原因是由于伺服电机激励电流变化引起低频传导干扰，其强度与电机转速和负载正相关；CE102是由于IGBT，DC/DC模块及二次电源产生的高频传导干扰。电磁兼容整改时，无论如何改变滤波器参数，均无法有效抑制传到干扰。经分析，发现是由于滤波电路发热造成内部电感磁通密度下降，从而引起磁饱和，通过更换饱和磁通密度更大的电感最终解决了该问题，如图4和图5所示。RE102不通过的原因是由于电控柜及电源线缆电磁屏蔽不彻底引起的电磁泄漏，通过上述电控柜和电缆网综合控制方法起到了良好的屏蔽效果，见图6。最终，本文所述机电伺服系统在整改后通过全部电磁兼容测试项目。
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图 4 CE101测试图（上：整改前，下：整改后） Fig. 4 Curves of CE101 |
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图 5 CE102测试图（上：整改前，下：整改后） Fig. 5 Curves of CE102 |
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图 6 RE102测试图（上：整改前，下：整改后） Fig. 6 Curves of RE102 |
通过对大功率机电伺服系统原理的分析，可知高速半导体开关器件（IGBT）、DC/DC模块和二次开关电源中的高频开关（MOSFET）是整个系统电磁干扰的主要源头；此外电机本体产生的低频电磁干扰也是源头之一。通过优化控制策略可从源头一定程度上降低电磁干扰；合理设置滤波器参数可有效衰减共模和差模干扰；电缆网是电磁传递干扰的重要路径，也是电磁辐射干扰的重要来源，通过采取有效的屏蔽措施及合理布线，可有效降低电缆网传递干扰和辐射干扰；驱动控制器壳体及电控柜体的电磁屏蔽设计是降低系统电磁辐射干扰的关键，电屏蔽和磁屏蔽材料应结合使用。只有从干扰源、传递路径及敏感设备三方面均采取综合控制方法，才能取得更好的效果。
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