CN110378008B - 一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，具体涉及线缆参数对系统电磁干扰的影响分析技术领域，具体分析步骤如下：S1、对电驱动系统电磁干扰建模；S2、建立系统辐射EMI预测模型；S3、对系统基于场线路进行多耦合仿真；S4、分析动力线缆参数对电磁干扰的影响；S5、分析布线参数对信号线串扰的影响。本发明通过场线路混合仿真方法分析了线缆参数对系统电磁干扰的影响，提出的场线路协同仿真计算方法，电流分布在三维全波分析中替代了复杂的电缆线束模型，避免了对实际电缆线束的网格划分，大大减少整个三维仿真的网格数目，降低了内存需求，提高了仿真效率。
Description
技术领域
本发明涉及线缆参数对系统电磁干扰的影响分析技术领域，更具体地说，本发明涉及一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法。
背景技术
机电设备往往包含各类复杂的线缆网络和集成电路，采用单一的场、线或路的分析方法通常无法解决系统电磁干扰问题，需建立有效的场-线-路协同仿真方法，才能更好的满足系统电磁兼容分析需求。差分/积分的场-线-路混合仿真分析，根据差分或积分方程得到电磁场的分布，利用线缆求解器建立线缆等效电路并导入场计算结果，通过端口网络使线缆与电路进行连接，最后通过电路求解器进行电路分析。
最近，美国华裔著名学者金建铭教授采用严格的时域有限差分法(FDTD)方法实现了飞机通信系统场、线缆和电路之间的混合仿真，使用混合FDTD方法计算通信系统外壳内、外区域的场分布，然后利用场线耦合模型得到线上耦合感应出的浪涌信号，最后基于改进的节点法或状态方程法，分析含有线缆网络的系统电磁脉冲响应。Shinsuke Yuda等利用时域传输线矩阵法计算了闪电电磁脉冲激励下传输线上耦合干扰电压的大小，并利用实验和时域有限差分方法对计算结果进行了验证。Yakup Bayram等提出了计算复杂屏蔽结构附近线束上电磁干扰的场-路混合方法，利用矩量法分析了屏蔽结构附近的电磁场，使用集成电路仿真软件对线束等效电路模型进行电磁耦合求解，并成功地应用于汽车线束电磁干扰分析。上海交通大学刘其凤拓展了混合FDTD方法，提出了新型的统一亚网格算法，结合改进节点法和传输线FDTD算法，实现了线缆网络、系统金属结构及内部子系统的一体化综合分析，为电磁脉冲作用下通信系统EMC分析提供了一种高效的场-线-路混合仿真方法。
此外，国防科学技术大学王为提出基于高阶FDTD与改进节点电压法以及基于精细分裂时间步技术的一维CN-FDTD方法的混合方法，并结合电路分析方法，实现了复杂线缆网络的场-线-路时域混合方法，开发了相应的仿真软件，并成功应用于某武器平台的EMC预测分析。西安电子科技大学杨福荣在研究屏蔽机箱内电子系统连接件针脚耦合电流时，提出了基于PEEC的电路等效建模方法，简化了建模复杂度，提高了仿真计算精度。
综上所得，场-线-路混合仿真方法具有简化建模难度，提高计算效率，节省计算资源等优势，为实际机电设备EMC问题提供了有效分析方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，通过场线路混合仿真方法分析了线缆参数对系统电磁干扰的影响，将线束简化建模技术应用于预测模型的建立，分析了三相线缆截面结构参数和布线参数分别对辐射电磁干扰和信号线串扰的影响，本发明提出的场线路协同仿真计算方法，电流分布在三维全波分析中替代了复杂的电缆线束模型，避免了对实际电缆线束的网格划分，大大减少整个三维仿真的网格数目，降低了内存需求，提高了仿真效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，具体分析步骤如下：
S1、系统由电机、驱动控制器、三相动力线缆、正负极直流母线及信号线等组成，对电驱动系统电磁干扰建模，建模步骤如下：
S1.1、在CST MWS工作室中建立驱动控制器正负极直流母线布局；
S1.2、在CST MWS工作室中建立电机与驱动控制器间三相动力线缆布局；
S1.3、采用多芯屏蔽线束简化建模方法对三相动力线缆及正负极直流母线进行简化，简化模型的对地高度及半径；
S1.4、根据线束分类组合方法，将三相动力线缆和两根正负极直流母线分别简化成一根线缆；
S1.5、对三相动力线缆及正负极直流母线简化的前后辐射场的进行CST仿真；
S2、建立系统辐射EMI预测模型，具体步骤如下；
S2.1、在CST MWS中建立系统各个部件的CAD尺寸模型及线缆布局，包括驱动控制器、电机、LISN、电池组、三相动力线缆及正负极直流母线等；
S2.2、利用CST CS的2DModeling传输线求解器生成线缆等效电路模型，对模型端口设置相应的负载和激励源，得到整个系统辐射EMI电路模型；
S3、对系统基于场线路进行多耦合仿真，具体步骤如下：
S3.1、将线缆线束分成有限数量的直线段，CST Cable Studio基于积分方程和边界元的算法，通过静态2D场求解器从每个子段提取每单位长度的传输线参数R'，L'，C'，G'，每个子段转换的等效电路连接在一起，即形成代表整个线缆线束的单个电气模型；
S3.2、通过CST Design Studio的电路仿真，计算出沿线缆的电流分布；
S3.3、通过CST Microwave Studio与CST Cable Studio的数据交换接口，将此电流分布直接导入到CST MWS的时域求解器中，作为辐射源进行辐射仿真分析；
S4、分析动力线缆参数对电磁干扰的影响，分析步骤如下：
S4.1、基于系统辐射EMI预测模型，通过改变屏蔽层半径及增加屏蔽层数，对动力线缆具有不同截面结构参数时的系统辐射进行EMI仿真，以此分析截面结构参数对系统辐射电磁干扰的影响；
S4.2、基于系统辐射EMI预测模型，在CST中建模时，保证动力线缆总体长度不变，改变电机位置，得到动力线缆三种不同的布线方式，然后对不同电机位置时系统辐射电场进行仿真；
S5、分析布线参数对信号线串扰的影响：假设信号线中间段与动力线缆平行，负载为50Ω，利用线缆串扰及临界布线间距计算方法，在建立信号线与动力线缆穿串扰模型时，分析电机正常工况下布线间距对动力线缆和信号线间串扰的影响。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.1中正负极直流母线为单芯屏蔽线，其芯线半径2.52mm，屏蔽层半径3.52mm，外层护套厚度5mm。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.2中三相动力线缆为单芯屏蔽线，其芯线半径3.99mm，屏蔽层半径4.99mm，外层护套厚度5mm。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.3中线缆对地高度为全模型中各单根线缆对地高度的平均值，线缆半径计算公式为
简化模型的对地高度及半径是以驱动控制器连接端的线缆截面布局为基准。
在一个优选地实施方式中，所述S1.4中，具体简化步骤为如下：
a.简化线缆对地高度为40mm；
b.由无限理想地面上导线自感和互感计算公式可得，三相动力线缆电感和电容矩阵为
将L和C代入式中可得简化线束的电感Leq＝244.8nH，从而可得简化三相动力线缆的半径为23.5mm；
c.依照上述步骤，可得等效正负极直流母线的半径为10.7mm。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.1中建立的系统各个部件的结构尺寸及布局均参照实际系统。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3.1的过程称为2D Modeling，该方法能快速准确地从线缆结构和布线数据中抽取电路仿真用的二维传输线模型，而不受线缆复杂性的限制。
在一个优选地实施方式中，所述S4.1中取动力线缆屏蔽层半径分别为4.99mm和10mm及采用双层编织屏蔽，对电机及其驱动系统辐射电场进行CST仿真，系统仿真频段为30，172MHz，所述步骤S4.2中系统仿真频段为30，172MHz。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S5中，在CSTCable Studio工作室中分别设置间距为20mm、40mm、60mm、80mm和100mm，得到相应间距时信号线上的串扰电压值。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过场线路混合仿真方法分析了线缆参数对系统电磁干扰的影响，将线束简化建模技术应用于预测模型的建立，分析了三相线缆截面结构参数和布线参数分别对辐射电磁干扰和信号线串扰的影响，本发明提出的场线路协同仿真计算方法，等效电流分布在三维全波分析中替代了复杂的电缆线束模型，避免了对实际电缆线束的网格划分，对于含有复杂结构线缆的系统，这将大大减少整个三维仿真的网格数目，从而降低内存需求，加快仿真速度。
附图说明
图1为本发明的系统CAD模型图。
图2为本发明的直流母线截面结构图。
图3为本发明的直流母线线缆布局图。
图4为本发明的三相动力线缆截面结构图。
图5为本发明的三相动力线缆布局图。
图6为本发明的三相动力线缆简化建模图。
图7为本发明的正负极直流母线简化建模图。
图8为本发明的简化模型与全模型仿真结果对比图。
图9为本发明的系统辐射EMI电路图。
图10为本发明的场线路耦合仿真求解过程图。
图11为本发明的多导体传输线微分段分布参数图。
图12为本发明的动力线缆连接示意图。
图13为本发明的动力线缆不同截面结构参数时的系统辐射EMI仿真结果图。
图14为本发明的电机处于不同位置时的动力线缆布线方式图。
图15为本发明的动力线缆不同布线方式时的辐射电场仿真结果图。
图16为本发明的动力线缆与信号线布局图。
图17为本发明的动力线缆对信号线的串扰仿真结果中动力线缆激励电压图。
图18为本发明的动力线缆对信号线的串扰仿真结果中信号线上串扰电压图。
附图标记为：1驱动控制器、2电机、3LISN、4电池组、5三相动力线缆、6正负极直流母线、7信号线。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，具体分析步骤如下：
S1、系统由电机2、驱动控制器1、三相动力线缆5、正负极直流母线6及信号线7等组成，对电驱动系统电磁干扰建模，建模步骤如下：
S1.1、在CST MWS工作室中建立驱动控制器1的正负极直流母线6布局，正负极直流母线6为单芯屏蔽线，其芯线半径2.52mm，屏蔽层半径3.52mm，外层护套厚度5mm；
S1.2、在CST MWS工作室中建立电机2与驱动控制器1间三相动力线缆5布局，三相动力线缆5为单芯屏蔽线，其芯线半径3.99mm，屏蔽层半径4.99mm，外层护套厚度5mm；
S1.3、采用多芯屏蔽线束简化建模方法对三相动力线缆5及正负极直流母线6进行简化，简化模型的对地高度及半径，线缆对地高度为全模型中各单根线缆对地高度的平均值，线缆半径计算公式为
简化模型的对地高度及半径是以驱动控制器1连接端的线缆截面布局为基准；
S1.4、根据线束分类组合方法，将三相动力线缆5和两根正负极直流母线6分别简化成一根线缆，具体简化步骤为如下：
a.简化线缆对地高度为40mm；
b.由无限理想地面上导线自感和互感计算公式可得，三相动力线缆5电感和电容矩阵为
将L和C代入式中可得简化线束的电感Leq＝244.8nH，从而可得简化三相动力线缆5的半径为23.5mm；
c.依照上述步骤，可得等效正负极直流母线6的半径为10.7mm；
S1.5、对三相动力线缆5及正负极直流母线6简化的前后辐射场的进行CST仿真；
S2、建立系统辐射EMI预测模型，具体步骤如下；
S2.1、在CST MWS中建立系统各个部件的CAD尺寸模型及线缆布局，包括驱动控制器1、电机2、LISN3、电池组4、三相动力线缆5及正负极直流母线6等，系统各个部件的结构尺寸及布局均参照实际系统；
S2.2、利用CST CS的2D Modeling传输线求解器生成线缆等效电路模型，对模型端口设置相应的负载和激励源，得到整个系统辐射EMI电路模型；
S3、对系统基于场线路进行多耦合仿真，具体步骤如下：
S3.1、将线缆线束分成有限数量的直线段，CST Cable Studio基于积分方程和边界元的算法，通过静态2D场求解器从每个子段提取每单位长度的传输线参数R'，L'，C'，G'，每个子段转换的等效电路连接在一起，即形成代表整个线缆线束的单个电气模型，这个过程称为2D Modeling，该方法能快速准确地从线缆结构和布线数据中抽取电路仿真用的二维传输线模型，而不受线缆复杂性的限制；
S3.2、通过CST Design Studio的电路仿真，计算出沿线缆的电流分布；
S3.3、通过CST Microwave Studio与CST Cable Studio的数据交换接口，将此电流分布直接导入到CST MWS的时域求解器中，作为辐射源进行辐射仿真分析；
S4、分析动力线缆参数对电磁干扰的影响，分析步骤如下：
S4.1、基于系统辐射EMI预测模型，通过改变屏蔽层半径及增加屏蔽层数，对动力线缆具有不同截面结构参数时的系统辐射进行EMI仿真，以此分析截面结构参数对系统辐射电磁干扰的影响，取动力线缆屏蔽层半径分别为4.99mm和10mm及采用双层编织屏蔽，对电机2及其驱动系统辐射电场进行CST仿真，系统仿真频段为30，172MHz，所述步骤S4.2中系统仿真频段为30，172MHz，线缆屏蔽层半径会影响屏蔽层的编织覆盖率以及编织层间间隙，从而影响动力线缆的屏蔽转移阻抗和屏蔽效能，当动力线缆屏蔽层半径为10mm时，其屏蔽转移阻抗变小，屏蔽效能提高，使得系统辐射电场值减小，当动力线缆采用双层屏蔽时，降低了屏蔽层的整体转移阻抗，提高了屏蔽效能，从而使系统辐射电场值减小；
S4.2、基于系统辐射EMI预测模型，在CST中建模时，保证动力线缆总体长度不变，改变电机位置，得到动力线缆三种不同的布线方式，然后对不同电机位置时系统辐射电场进行仿真，由图13可知，电机2处于位置三时系统辐射电场最小，这主要是因为此时动力线缆距离参考地平面较近，线缆与参考地平面的高度会影响其镜像电流产生的辐射场，越贴近地面其产生的总辐射就越少，这解释了图14中布线三辐射电场最小；
S5、分析布线参数对信号线串扰的影响：假设信号线中间段与动力线缆平行，负载为50Ω，利用线缆串扰及临界布线间距计算方法，在建立信号线与动力线缆穿串扰模型时，分析电机正常工况下布线间距对动力线缆和信号线间串扰的影响，在CSTCable Studio工作室中分别设置间距为20mm、40mm、60mm、80mm和100mm，可以得到相应间距时信号线上的串扰电压值，由图18可知，串扰电压值随着布线间距的增大而降低，且在间距较小时，串扰值随间距的增大而快速下降，当间距达到一定值时，串扰值随间距增大而下降不明显，在20，40mm之间存在着临界布线间距。
本发明的优点在于提出的场线路协同仿真计算方法，等效电流分布在三维全波分析中替代了复杂的电缆线束模型，避免了对实际电缆线束的网格划分，对于含有复杂结构线缆的系统，这将大大减少整个三维仿真的网格数目，从而降低内存需求，加快仿真速度。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：具体分析步骤如下：
S1、系统由电机、驱动控制器、三相动力线缆、正负极直流母线及信号线组成，对电驱动系统电磁干扰建模，建模步骤如下：
S1.1、在CST MWS工作室中建立驱动控制器正负极直流母线布局；
S1.2、在CST MWS工作室中建立电机与驱动控制器间三相动力线缆布局；
S1.3、采用多芯屏蔽线束简化建模方法对三相动力线缆及正负极直流母线进行简化，简化模型的对地高度及半径：
(1)线缆对地高度为全模型中各单根线缆对地高度的平均值；
(2)线缆半径计算公式为
简化模型的对地高度及半径是以驱动控制器连接端的线缆截面布局为基准；
S1.4、根据线束分类组合方法，将三相动力线缆和两根正负极直流母线分别简化成一根线缆；
具体简化步骤为如下：
a.简化线缆对地高度为40mm；
b.由无限理想地面上导线自感和互感计算公式可得，三相动力线缆电感和电容矩阵为
将L和C代入式中可得简化线束的电感Leq＝244.8nH，从而可得简化三相动力线缆的半径为23.5mm；
c.依照上述步骤，可得等效正负极直流母线的半径为10.7mm；
S1.5、对三相动力线缆及正负极直流母线简化的前后辐射场进行CST仿真；
S2、建立系统辐射EMI预测模型，具体步骤如下；
S2.1、在CST MWS中建立系统各个部件的CAD尺寸模型及线缆布局，包括驱动控制器、电机、LISN、电池组、三相动力线缆及正负极直流母线；
S2.2、利用CST CS的2DModeling传输线求解器生成线缆等效电路模型，对模型端口设置相应的负载和激励源，得到整个系统辐射EMI电路模型；
S3、对系统基于场线路进行多耦合仿真，具体步骤如下：
S3.1、将线缆线束分成有限数量的直线段，CST Cable Studio基于积分方程和边界元的算法，通过静态2D场求解器从每个子段提取每单位长度的传输线参数R'，L'，C'，G'，每个子段转换的等效电路连接在一起，即形成代表整个线缆线束的单个电气模型；
S3.2、通过CST Design Studio的电路仿真，计算出沿线缆的电流分布；
S3.3、通过CST Microwave Studio与CST Cable Studio的数据交换接口，将此电流分布直接导入到CST MWS的时域求解器中，作为辐射源进行辐射仿真分析；
S4、分析动力线缆参数对电磁干扰的影响，分析步骤如下：
S4.1、基于系统辐射EMI预测模型，通过改变屏蔽层半径及增加屏蔽层数，对动力线缆具有不同截面结构参数时的系统辐射进行EMI仿真，以此分析截面结构参数对系统辐射电磁干扰的影响；
S4.2、基于系统辐射EMI预测模型，在CST中建模时，保证动力线缆总体长度不变，改变电机位置，得到动力线缆三种不同的布线方式，然后对不同电机位置时系统辐射电场进行仿真；
S5、分析布线参数对信号线串扰的影响：假设信号线中间段与动力线缆平行，负载为50Ω，利用线缆串扰及临界布线间距计算方法，在建立信号线与动力线缆穿串扰模型时，分析电机正常工况下布线间距对动力线缆和信号线间串扰的影响。
2.根据权利要求1所述的一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：所述步骤S1.1中正负极直流母线为单芯屏蔽线，其芯线半径2.52mm，屏蔽层半径3.52mm，外层护套厚度5mm。
3.根据权利要求1所述的一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：所述步骤S1.2中三相动力线缆为单芯屏蔽线，其芯线半径3.99mm，屏蔽层半径4.99mm，外层护套厚度5mm。
4.根据权利要求1所述的一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：所述步骤S2.1中建立的系统各个部件的结构尺寸及布局均参照实际系统。
5.根据权利要求1所述的一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：所述步骤S3.1的过程称为2D Modeling，该方法能快速准确地从线缆结构和布线数据中抽取电路仿真用的二维传输线模型，而不受线缆复杂性的限制。
6.根据权利要求1所述的一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：所述S4.1中取动力线缆屏蔽层半径分别为4.99mm和10mm及采用双层编织屏蔽，对电机及其驱动系统辐射电场进行CST仿真，系统仿真频段为30，172MHz，所述步骤S4.2中系统仿真频段为30，172MHz。
7.根据权利要求1所述的一种电驱系统线缆参数对系统电磁干扰的影响分析方法，其特征在于：所述步骤S5中，在CSTCable Studio工作室中分别设置间距为20mm、40mm、60mm、80mm和100mm，得到相应间距时信号线上的串扰电压值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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