一種設備電磁輻射特性參數的提取方法和系統與流程

2023-06-04 08:26:32 2

本發明實施例屬於電磁兼容技術領域，具體涉及一種設備電磁輻射特性參數的提取方法和系統。

背景技術：

飛機電磁兼容是研究飛機在有限的空間、時間和頻譜資源條件下，各種用電設備可以共存，並不至引起降級的一門科學。根據GB/T4765-1995《電磁兼容術語》中，對電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)的定義為：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境構成不能承受的電磁騷擾的能力。

隨著飛機的性能不斷提升，飛機自身的機載電子電氣設備的數量和種類越來越多，尤其是精密敏感類設備越來越多，性能也越多越先進，設備安裝越來越密集，用電功率越來越大，這就使得飛機電氣電子系統和設備的相互幹擾愈加嚴重。

目前，我國對飛機內部的設備或系統，從數學模型的建立到系統中部件的動態仿真及設計，都已做了大量的研究。但是，這些研究都只是針對其物理性能，沒有對電磁輻射特性進行研究，而飛機內部設備或系統由於結構複雜，如果直接進行分析和提取電磁輻射特性參數，使得分析和提取過程將會十分複雜，並且導致仿真時間長，計算內存壓力大，使得飛機電磁輻射特性 參數的提取速率低。因此，建立簡化模型，提取電磁輻射特性參數具有重要意義。

技術實現要素：

本發明實施例的目的是提供一種通過確定電磁幹擾源並獲取其共模幹擾電流，對共模幹擾電流的輻射電場進行等效，再放入設備模型進行三維電磁仿真，並從三維電磁仿真結果中提取飛機電磁輻射特性參數的方法和系統。

根據本發明實施例一個方面，提供一種設備電磁輻射特性參數的提取方法，所述方法包括：確定設備的電磁幹擾源；基於基爾霍夫定理計算所述電磁幹擾源的共模電流電路的等效電路的電流，得到所述電磁幹擾源的共模幹擾電流；將所述共模幹擾電流等效後得到的等效模型放入設備的三維模型中，得到目標設備模型；對目標設備模型進行三維電磁仿真，得到三維電磁仿真結果；所述三維電磁仿真的激勵源為所述共模幹擾電流；從所述三維電磁仿真結果中提取設備的所述電磁輻射特性參數。

其中，所述確定電磁幹擾源的步驟包括：判斷所述設備中是否存在有瞬時電流或瞬時電壓的部件；當存在有所述瞬時電流或所述瞬時電壓的部件時，將存在所述瞬時電流或所述瞬時電壓的部件作為電磁幹擾源。

其中，所述對所述電磁幹擾源的電路進行階躍響應計算，得到所述電磁幹擾源的共模幹擾電流的步驟包括：基於所述電磁幹擾源的電路結構，獲取共模電流電路；對所述共模電流電路進行電路仿真，得到仿真電路；對所述仿真電路進行等效，得到等效電路；基於基爾霍夫定理計算等效電路的電流，得到所述電磁幹擾源的共模幹擾電流。

其中，所述將所述共模幹擾電流等效後得到的等效模型放入設備模型中， 得到目標設備模型的步驟包括：採用天線對所述共模幹擾電流的輻射電場進行等效，得到天線等效模型；將所述天線等效模型放入設備模型中，作為目標設備模型。

其中，對目標設備模型進行三維電磁仿真，得到三維電磁仿真結果的步驟包括：採用時域傳輸線矩陣方法對設備模型進行時域仿真，得到三維電磁仿真結果；其中，邊界條件為開放自由邊界，仿真頻率為0-150MHZ。

根據本發明實施例的另一個方面，提供一種設備電磁輻射特性參數的提取系統，所述系統包括：確定模塊，用於確定設備的電磁幹擾源；計算模塊，用於基於基爾霍夫定理計算對所述電磁幹擾源的共模電流電路的等效電路的電流，得到所述電磁幹擾源的共模幹擾電流；目標模型獲取模塊，用於將所述共模幹擾電流等效後得到的等效模型放入設備的三維模型中，得到目標設備模型；仿真模塊，用於對目標設備模型進行三維電磁仿真，得到三維電磁仿真結果；所述三維電磁仿真的激勵源為所述共模幹擾電流；提取模塊，用於從所述三維電磁仿真結果中提取設備的所述電磁輻射特性參數。

其中，所述確定模塊包括：判斷子模塊，用於判斷所述設備中是否存在有瞬時電流或瞬時電壓的部件；幹擾源確定模塊，用於當存在有所述瞬時電流或所述瞬時電壓的部件時，將存在所述瞬時電流或所述瞬時電壓的部件作為電磁幹擾源。

其中，所述計算模塊包括：共模電路獲取子模塊，用於基於所述電磁幹擾源的電路結構，獲取共模電流電路；仿真子模塊，用於對所述共模電流電路進行電路仿真，得到仿真電路；第一等效子模塊，用於對所述仿真電路進行等效，得到等效電路；計算子模塊，用於基於基爾霍夫定理計算等效電路 的電流，得到所述電磁幹擾源的共模幹擾電流。

其中，所述整機模型獲取模塊包括：第二等效子模塊，用於採用天線對所述共模幹擾電流的輻射電場進行等效，得到天線等效模型；放入子模塊，用於將所述天線等效模型放入設備模型中，作為目標設備模型。

其中，所述仿真模塊為電磁仿真軟體CST，CST仿真軟體中的時域傳輸線矩陣方法對設備模型進行時域仿真，得到三維電磁仿真結果；其中，邊界條件為開放自由邊界，仿真頻率為0-150MHZ。

本發明實施實例為通過確定設備的電磁幹擾源，然後計算電磁幹擾源的共模幹擾電流，對共模幹擾電流的輻射電場進行等效，將等效後得到的等效模型放入設備的三維模型，形成目標設備模型，進而對目標設備模型進行三維電磁仿真，將共模幹擾電流作為三維電磁仿真的激勵源，從三維電磁仿真結果中提取飛機電磁輻射特性參數。從而解決了現有技術中只是針對設備的物理性能進行分析，沒有對電磁輻射特性的分析，實現了對設備內部電磁輻射特性的分析和電磁輻射特性參數的獲取。另一方面，由於採用等效模型對電磁幹擾源的共模輻射電場進行等效，以及將共模幹擾電流作為最終仿真的激勵源，使得整個最終的仿真模型簡化，從而減少了仿真時間和計算內存的壓力，提高了電磁輻射特性參數的獲取速度。

附圖說明

圖1是本發明實施例一種設備電磁輻射特性參數的提取方法的流程示意圖；

圖2是本發明實施例中步驟S101的流程示意圖；

圖3是本發明實施例中波音B787飛機電環控系統的結構示意圖；

圖4是本發明實施例中步驟S102的流程示意圖；

圖5是本發明實施例中三相脈寬調製逆變器的共模幹擾電流電路圖；

圖6是BUCK變換器的電路圖；

圖7是圖6的BUCK變換器的等效電路圖；

圖8是本發明實施例中三相脈寬調製逆變器等效電路的電路圖；

圖9是本發明實施例中三相脈寬調製逆變器等效電路的簡化電路圖；

圖10是本發明實施例中步驟S103的流程示意圖；

圖11是本發明實施例中天線等效模型的等效電路圖；

圖12是本發明實施例中目標設備模型為飛機的三維模型示意圖；

圖13是本發明實施例中一種設備電磁輻射特性參數的提取系統的結構示意圖；

圖14是本發明實施例中確定模塊的結構示意圖；

圖15是本發明實施例中計算模塊的結構示意圖；

圖16是本發明實施例中整機模型獲取模塊的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合具體實施方式並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而並非要限制本發明的範圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。

電磁幹擾分為傳導幹擾和輻射幹擾兩種，傳導幹擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合到另一個電網絡。輻射幹擾是指幹擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網絡。本發明實施例主要對輻射幹擾進行分析，例如： 在高速印刷電路板及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能稱為具有天線特性的輻射幹擾源，能發射電磁波並影響其它系統或本系統內其它子系統的正常工作。因此，這類系統通常被作為電磁幹擾源。

電磁幹擾源發射的電磁幹擾能量以傳導或輻射的方式進行傳播，以影響其它用電設備的正常工作。本發明實施例是對設備進行分析，確定電磁幹擾源，並計算共模幹擾電流，將共模幹擾電流作為三維電磁仿真的激勵源，對設備的三維模型進行三維電磁仿真，從而模擬設備電磁幹擾源的輻射電場和輻射電流，從仿真結果中提取電磁輻射特性參數以了解設備的電磁輻射特性。

圖1顯示了本發明實施例一種設備電磁輻射特性參數的提取方法的流程示意圖。

如圖1所示，該方法包括：

S101，確定設備的電磁幹擾源；

電力電子設備在工作中，會發出強烈的電磁幹擾，該幹擾主要來自於半導體開關器件，半導體開關器件在開通和關斷過程中，由於電壓和電流在短時間內發生跳變，從而形成電磁幹擾。例如：在飛機的電環控系統來說，電磁幹擾源主要為三相脈寬調製逆變器。電環控系統，是指採用電能作為動力的環境控制系統，其中，環境控制系統又稱座艙空調系統。

如圖2所示，步驟S101確定設備的電磁幹擾源包括：

S201，判斷設備中是否存在有瞬時電流或瞬時電壓的部件；

在設備中，採用高速半導體開關器件，如絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)、金屬-氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)等，可以大大加快設備的動態響應過程。然而，這些半導體開關的高頻脈衝信號具有很大的瞬時電壓dv/dt 或很大的瞬時電流di/dt，會對設備內其它部件形成很強的電磁幹擾。因此，只需要判斷設備中是否存在有瞬時電壓或瞬時電流的部件，就可以了解設備中是否存在電磁幹擾源。

S202，當存在有瞬時電流或瞬時電壓的部件時，將存在瞬時電流或瞬時電壓的部件作為設備的電磁幹擾源。

例如：當對飛機的電環控系統進行分析時，逆變器是電環控系統中的主要電磁幹擾源。如圖3所示，為波音B787飛機的電環控系統結構。電機由交流電通過電機控制器進行驅動。電機所使用的變頻器調速是目前通用的電機調速方式，電環控系統中的變頻器實現「交流-直流-交流」的變化，變頻器為整流器與逆變器的組合。脈衝寬度調製逆變器是指應用PWM技術的逆變器，以下簡稱PWM逆變器，PWM逆變器位於電機控制器中(圖3未示出)。因此，只要當PWM逆變器工作於開關模式並做高速切換時，大量的耦合性幹擾隨之產生，對系統內其它電子設備產生電磁幹擾。因此，在飛機的電環控系統中，PWM逆變器為電環控系統的電磁幹擾源。

PWM逆變器工作時可對電環控系統內其它設備產生電磁幹擾，具體為：PWM逆變器工作時產生耦合幹擾，其驅動的電動機的鐵耗和銅耗變多，先通過導線傳導到電源上，然後再由配電網絡傳導給電環控系統內其它設備，對周圍的電子設備以及線纜產生電磁幹擾，從而影響其它電器設備正常工作。

S102，基於基爾霍夫定理計算電磁幹擾源的共模電流電路的等效電路的電流，得到電磁幹擾源的共模幹擾電流；

如圖4所示，步驟S102包括如下子步驟：

S401，基於電磁幹擾源的電路結構，獲取共模幹擾電流電路；

由於電磁幹擾源的電路結構中存在開關器件，因此，共模幹擾電流可以認為是開關器件導致輸出電壓變化產生的瞬時電壓和電路輸出側的寄生電容聯合產生的，共模幹擾電流在輸入相和參考地之間流動。例如：對於PWM逆變器來說，共模幹擾電流分別是由逆變器各橋臂所在的高速開關導致輸出電壓變化產生的瞬時電壓和系統輸出側的寄生電容聯合產生的。

S402，對共模幹擾電流電路進行電路仿真，得到仿真電路；

作為一種實施方式，可以是採用電路仿真軟體進行仿真。優選地，採用電流仿真軟體Saber對共模幹擾電流電路進行仿真。

S403，對仿真電路進行等效，得到等效電路；

作為一種實施方式，可以採用降壓式變換器(即BUCK變換器)電路的等效原理對仿真電路進行等效。由於BUCK變換器電路中包含的是單個開關管，因此，不管是對於單開關管還是多個開關管的電磁幹擾源，都可以採用BUCK變換器電路的共模幹擾電流的等效原理來獲得電磁幹擾源的等效電路。

圖6為BUCK變換器的電路圖，由於開關管T對地有寄生電容Cp，當開關管T通斷時，BUCK變換器的P點對參考地的電位不停的發生變化，這個變化的電位對寄生電容Cp進行充放電，引起共模幹擾電流，共模幹擾電流流經寄生電容Cp，然後經過散熱器到達參考地，再通過LISN網絡的50Ω電阻和0.25μF的直流電容回到直流側，分成了兩路電流I1和I2。其中，I1直接通過直流母線正極的連接線回到開關管的集電極，而I2則通過直流母線的負極經電解電容後回到開關管的集電極，這兩條電流I1和I2的不同在於I2通過了直流母線上的電解電容。電解電容有一定的等效串聯電感和等效串聯電阻，假設它的等效串聯電感為Le、等效串聯電阻為Re，並且Le的數量級一般為nH 級，Re一般為0.1Ω左右，假設共模電流迴路中導線的寄生電感為Lp，Lp的數量級一般為μH級，顯然，電感Le遠小於電感Lp，電阻Re遠小於50Ω。因此電解電容的等效串聯電阻和等效串聯電感的影響通常可以忽略，I1和I2流過的通路就是一樣的，並且I1和I2為共模電流Icm的一半。

圖7為圖6的BUCK變換器的等效電路圖。圖7中Lcab表示LISN網絡到0.25μF的直流電容的等效電感，Rin表示LISN網絡到0.25μF的直流電容的等效電阻。Cn是電解電容(圖6中示出)之後的直流母線正負極對參考地的等效寄生電容，Cp表示共模幹擾電流流經的寄生電容，Lcm表示散熱器與參考地的連接線的等效電感，V為開關管T兩端的電壓。

對於包括多開關管的電磁幹擾源來說，其無源器件的等效於BUCK變換器等效電路一樣，其等效電路的電壓源用V1+V2+……Vn表示，n為電磁幹擾源的相電路的數量。

例如：三相PWM逆變器中其它無源器件的等效電路與BUCK變換器等效電路一樣，其電壓源由V1+V2+V3來代替。

S404，基於基爾霍夫電壓定理計算等效電路的電流，得到電磁幹擾源的共模幹擾電流。

在本發明實施例中，對於只有單個開關管的電磁幹擾源電路結構來說，在得到等效電路後，可以採用戴維南等效原理對等效電路進行簡化，得到簡化電路，簡化後的等效電路是一個二階RLC等效電路，進而根據基爾霍夫電壓定理對二階RLC等效電路列基爾霍夫電壓方程，從而計算得到簡化電路的電流表達式，即得到電磁幹擾源的共模幹擾電流的表達式。對於多個開關管的電磁幹擾源的電路結構來說，可以採用針對單個開關管的電磁幹擾源求共 模幹擾電流的方法求取多個開關管的共模幹擾電流。

下面通過舉例對上述步驟S401-步驟S404進行說明：

如圖5所示，在三相PWM脈寬調製逆變器的各個開關管的導通和關斷過程中，由於三相脈寬調製逆變器不停地處於開和關的工作狀態，導致三個相A相、B相和C相的埠電壓Va、Vb和Vc不斷發生跳變，而在電路中，電路和地之間也會分別形成寄生電容Cp1、Cp2、Cp3，埠電壓Va、Vb和Vc通過寄生電容Cp1、Cp2、Cp3不斷進行充電和放電過程，導致共模幹擾電流icm1、icm2和icm3的產生，共模幹擾電流沿著線路阻抗穩定網絡(LISN)到達三相PWM逆變器的直流母線上，對電網或其它設備產生共模傳導電磁幹擾。

計算三相PWM逆變器的共模幹擾電流時，可以把三相PWM逆變器的A、B、C三相橋臂分開來分析。以A相橋臂為例，其產生的共模幹擾電流可以採用Buck變換器等效分析的方法，A相橋臂中的開關管T1兩端的電壓用電壓源V1等效，B相橋臂和C相橋臂的共模幹擾電流也可以採用Buck變換器等效分析的方法，將開關管T3和T5兩端的電壓分別用電壓源V2和V3代替。A相、B相和C相三個橋臂產生的共模幹擾電流之和，即為三相PWM脈寬調製逆變器的共模幹擾電流。對於A相、B相和C相三個橋臂中的每個橋臂來說，其物理特性都一樣，都是由絕緣柵雙極型電晶體(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)組成，因此，每個橋臂中點對地的寄生電容大小都相同，三相PWM逆變器中的其他無源器件的等效電路的變換，與Buck變換電路中無源器件的等效一樣。PWM逆變器的共模幹擾電流的等效電路如圖8所示。圖8中，V1+V2+V3表示三相PWM逆變器的A、B、C相的等效電壓之和，0.5uF表示三相PWM逆變器的LISN網絡的直流電容，25歐表示三相PWM逆變器的LISN網 絡的直流電阻；Lcab表示LISN網絡到直流電容的等效電感，Rin表示從LISN網絡到直流電容的等效電阻。Cn是電解電容之後的直流母線正負極對參考地的等效寄生電容，Cp是開關管發射極對參考地的等效寄生電容；Lcm表示散熱器與參考地的連接線的等效電感。

然後利用戴維南等效原理，對圖8所示的等效電路進行簡化，得到如圖9所示的簡化電路，圖中，E表示等效電路的電壓源，R表示25歐和Rin的等效電阻，L表示對如圖9所示的簡化電路求零狀態階躍響應的電流表達式，得到三相PWM逆變器的共模幹擾電流i(t)的表達式為：

式中，i(t)為三相PWM逆變器的共模幹擾電流，A為電流符號。

S103，將對共模幹擾電流進行天線等效後得到的等效模型放入設備的三維模型中，得到目標設備模型；其中，目標設備為飛機時，其三維模型如圖9所示。

優選地，採用天線等效共模幹擾電流，得到等效模型，進而將等效模型放入設備的三維模型中，得到目標設備模型。例如：採用天線等效三相PWM逆變器的共模幹擾電流，得到等效模型，進而將等效模型放入飛機的三維整機模型中。

如圖10所示，步驟S103包括：

S1031，採用短單極子天線對共模幹擾電流的輻射電場進行等效，得到天線等效模型；天線等效模型如圖11所示。

S1032，將天線等效模型放入設備模型中，作為目標設備模型。作為一種實施方式，當設備為飛機時，目標設備模型如圖12所示。

S104，對目標設備模型進行三維電磁仿真，得到三維電磁仿真模型；其中，三維電磁仿真的激勵源為共模幹擾電流；

優選地，採用CST三維電磁仿真軟體對目標設備模型進行三維電磁仿真。步驟S104包括：

採用時域傳輸線矩陣方法對設備模型進行時域仿真，得到三維電磁仿真結果；其中，邊界條件為開放自由邊界，仿真頻率為0-150MHZ，仿真時間為10μs。

S105，從三維電磁仿真結果中提取設備電磁輻射特性參數。

在對設備的三維模型進行三維電磁仿真後，得到三維電磁仿真結果，則可以從中提取設備的電磁輻射特性參數。

如圖13所示，一種設備電磁輻射特性參數的提取系統，系統包括：

確定模塊11，用於確定設備的電磁幹擾源；

計算模塊12，用於基於KVL計算對電磁幹擾源的共模電流電路的等效電路的電流，得到電磁幹擾源的共模幹擾電流；

目標模型獲取模塊13，用於將共模幹擾電流等效後得到的等效模型放入設備的三維模型中，得到目標設備模型；

仿真模塊14，用於對目標設備模型進行三維電磁仿真，得到三維電磁仿真結果；三維電磁仿真的激勵源為共模幹擾電流；

提取模塊15，用於從三維電磁仿真結果中提取設備的電磁輻射特性參數。

如圖14所示，確定模塊11包括：

判斷子模塊110，用於判斷設備中是否存在有瞬時電流或瞬時電壓的部 件；

幹擾源確定子模塊111，用於當存在有瞬時電流或瞬時電壓的部件時，將存在瞬時電流或瞬時電壓的部件作為電磁幹擾源。

如圖15所示，計算模塊12包括：

共模電路獲取子模塊121，用於基於電磁幹擾源的電路結構，獲取共模電流電路；

仿真子模塊122，用於對共模電流電路進行電路仿真，得到仿真電路；

第一等效子模塊123，用於對仿真電路進行等效，得到等效電路；

計算子模塊124，用於基於KVL計算等效電路的電流，得到電磁幹擾源的共模幹擾電流。

如圖16所示，整機模型獲取模塊13包括：

第二等效子模塊131，用於採用天線對共模幹擾電流的輻射電場進行等效，得到天線等效模型；

放入子模塊132，用於將天線等效模型放入設備模型中，作為目標設備模型。

其中，仿真模塊14為CST仿真軟體，CST仿真軟體採用時域傳輸線矩陣方法對設備模型進行時域仿真，得到三維電磁仿真結果；其中，邊界條件為開放自由邊界，仿真頻率為0-150MHZ。本發明旨在保護一種通過確定設備內部的電磁幹擾源，基於基爾霍夫定理計算電磁幹擾源的共模電流電路的等效電路的電流，得到電磁幹擾源的共模幹擾電流，將共模幹擾電流等效後得到的等效模型放入設備的三維模型中，得到目標設備模型；對目標設備模型進行三維電磁仿真，得到三維電磁仿真結果；所述三維電磁仿真的激勵源為共 模幹擾電流；從三維電磁仿真結果中提取設備的電磁輻射特性參數。從而解決了現有技術中只是針對飛機內部系統或設備的物理性能進行分析，沒有對電磁輻射特性的分析，實現了對飛機內部電磁輻射特性的分析和電磁輻射特性參數的獲取。另一方面，由於採用等效模型對電磁幹擾源的共模輻射電場進行等效，以及將共模幹擾電流作為最終仿真的激勵源，使得整個最終的仿真模型簡化，從而減少了仿真時間和計算內存的壓力，提高了電磁輻射特性參數的獲取速度。

應當理解的是，本發明的上述具體實施方式僅僅用於示例性說明或解釋本發明的原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。此外，本發明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求範圍和邊界、或者這種範圍和邊界的等同形式內的全部變化和修改例。