基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾問題研究

      1．1 電磁干擾的概念及途徑

      電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，他是一種來自外部和內(nèi)部的并有損于有用信號的電磁現(xiàn)象。干擾經(jīng)過敏感元件、傳輸線、電感器、電容器、空間場等形式的途徑并以某種形式作用，其干擾效應(yīng)、現(xiàn)象普遍存在，形式各異，稱之為傳導(dǎo)干擾，他按帶不帶信息可以分為信息傳導(dǎo)干擾源和電磁噪聲傳導(dǎo)干擾源兩類。信息傳導(dǎo)干擾源是指帶有的無用信息對模擬通道的干擾。電磁噪聲傳導(dǎo)干擾源是指不帶任何信息的電磁噪聲對變頻系統(tǒng)的干擾。 

      傳導(dǎo)電磁干擾傳輸通道可以分為電容傳導(dǎo)耦合(或稱電場耦合)、電阻傳導(dǎo)耦合(或公共阻抗耦合)及電感傳導(dǎo)耦合(或互感耦合)。電容傳導(dǎo)耦合是指干擾源和信號傳輸線(包括印制電路線)之間通過導(dǎo)線以及部件的電容互相交鏈而構(gòu)成的電磁傳導(dǎo)耦合。電阻傳導(dǎo)耦合是指干擾源和信號傳輸線(包括印制電路線)之間通過公共阻抗上的電流或電壓交鏈而構(gòu)成的傳導(dǎo)電磁耦合。電感傳導(dǎo)耦合實(shí)質(zhì)上是磁場耦合。

      1．2 數(shù)字變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾問題

      數(shù)字變頻調(diào)速系統(tǒng)中這3種情況都存在，電阻傳導(dǎo)耦合和電感傳導(dǎo)耦合的表現(xiàn)尤為明顯，主要是參考地的設(shè)計(jì)、印制線路板的設(shè)計(jì)和高低壓的隔離，模擬接口電路中易受到功率電路的影響。DSP的電磁兼容特性主要反映在管腳信號電氣特性上。DSP的輸入輸出信號多數(shù)是數(shù)字信號，其外部接口電路也多數(shù)是數(shù)字電路，包括功率器件IPM也工作在開關(guān)狀態(tài)，整個系統(tǒng)具有明顯的數(shù)字電路特征，只有電流反饋環(huán)路是模擬信號，通過DSP的片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號進(jìn)行處理，再控制PWM的輸出來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在本設(shè)計(jì)中電磁干擾的表現(xiàn)具體分析為以下幾點(diǎn)。

      (1)瞬態(tài)脈沖干擾對數(shù)字電路的影響

      數(shù)字信號處理器以二進(jìn)制碼為基礎(chǔ)。用高、低電平來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并通過各種電路來描述信號特征，從而達(dá)到控制對象的目的。瞬態(tài)脈沖干擾將嚴(yán)重地影響了數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)，對于數(shù)字電路本身雖然具有很強(qiáng)的抗干擾能力，但在高頻率電路中易受到攜帶高能量的脈沖干擾，其干擾部位表現(xiàn)在時鐘發(fā)生器、總線數(shù)據(jù)傳輸、PWM控制信號。IPM內(nèi)部的IGBT高速工作在開關(guān)狀態(tài)將產(chǎn)生很強(qiáng)的開關(guān)噪聲，通過地線、電源線、分布電容、分布電感的耦合帶入低壓數(shù)字電路中，有時嚴(yán)重地干擾了TMS320F240數(shù)字信號處理器的運(yùn)算，表現(xiàn)為失控、程序跑飛和死機(jī)。

      (2)分布電感、電容對信號的影響

      基于DSP控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制部分通常選用TMS320F240EVM評估板，控制電路印制板的設(shè)計(jì)簡化了很多，只有IPM驅(qū)動板的電路設(shè)計(jì)和印制板要仔細(xì)地分析信號間的分布電容、分布電感的影響。但要注意考慮的是評估板與驅(qū)動板間的信號總線分布電感的影響，他可能會造成信號的延時和加長PWM控制信號的上、下降時間，從而導(dǎo)致IPM模塊中的上、下橋臂IGBT共通，這樣將造成IPM模塊不可恢復(fù)的永久損壞。

      (3)電源對系統(tǒng)的影響

      電源是多種干擾信號影響系統(tǒng)正常工作的途徑，主要有以下幾點(diǎn)影響：

      內(nèi)阻不可能為零，凡是共電源的部分其干擾信號都可以通過電源內(nèi)阻互竄；電網(wǎng)線上是外部干擾(如：雷電、電磁發(fā)射)進(jìn)入的渠道；電源負(fù)載的斷開與接通將在電網(wǎng)上形成很大沖擊，感性負(fù)載的沖擊更為嚴(yán)重；電源本身將產(chǎn)生許多干擾信號，特別是IGBT高速開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。

      干擾信號在系統(tǒng)中存在2種形態(tài)，即共模與串模干擾信號。在數(shù)字系統(tǒng)中常用此來表征干擾作用的存在，如圖1所示。串模干擾又稱正態(tài)干擾，他是指串聯(lián)于信號回路中的干擾，產(chǎn)生于傳輸線的互感，其與頻率有關(guān)，常用濾波和改善采樣頻率來減少。共模干擾又稱共態(tài)干擾，是干擾電壓同時加到兩條信號線上出現(xiàn)的干擾，因此線路傳輸結(jié)構(gòu)保持平衡能很好地抑制共模干擾。另外，消除地電流，能消除共模干擾，辦法是一點(diǎn)接地或浮空隔離(用脈沖變壓器、扼流圈或光電耦合器截?cái)嗟仉娏?。

      2 硬件抗干擾技術(shù)

      2．1 電源系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)

      電源系統(tǒng)包含低壓輔助電源和主電源。低壓輔助電源是指DSP及其相關(guān)的接口電路所需的+5 V，土12 V，和IPM驅(qū)動電路的4組+15 V隔離電源。主電源是指用于電機(jī)驅(qū)動可調(diào)速的AC／DC／AC電源，他與低壓輔助電源相互隔離，不共地。電源系統(tǒng)采用的抗干擾措施有：

      (1)電網(wǎng)輸入的交流電應(yīng)加EMI抑制濾波器，即由共態(tài)扼流圈L，電容C，電阻R組成的低通濾波器。他不僅能防止電網(wǎng)的串模、共模干擾信號進(jìn)入電源，而且還有效地防止系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾進(jìn)入電網(wǎng)，有利于環(huán)保。

      (2)IGBT大電流通斷時，電路中伴有電壓性和電流性的浪涌，由于du／dt，di／dt很大，故浪涌干擾信號的高頻成分很高，在IPM電源輸入端應(yīng)并聯(lián)小容量的高頻電容，以消除寄生振蕩。

      (3)功率輸入輸出電源連接線采用絞線連接，這樣能減小環(huán)路的電流產(chǎn)生電磁場的輻射。

      (4)低壓與高壓利用互感器、光耦信號和地線隔離，以阻斷共模干擾。按電源輸出的干擾的持續(xù)時間Δt的不同來選擇抑制對策；

      Δt>1 s屬于過電壓、欠電壓，停電干擾。采用不間斷電源(UPS)和穩(wěn)壓的辦法抑制；

      Δt>10 ms屬于浪涌、下陷、降出干擾，這類干擾電壓的幅度大、變化快，不是燒壞系統(tǒng)就是形成振蕩，需要用快速響應(yīng)的浪涌吸收器、電壓瞬態(tài)抑制二極管(TVS)來防止；

      Δt為微秒級，屬于尖峰電壓干擾，由于持續(xù)時間短，一般不會燒壞系統(tǒng)，但能破壞DSP的源程序的運(yùn)行，使邏輯功能混亂，信號線應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源和加屏蔽；

      Δt為納秒級，屬于射頻干擾，對DSP和數(shù)字信號的危害不嚴(yán)重，一般在IC的電源輸入端加高頻去耦電容即可。

      2．2 接口電路的抗干擾措施

      DSP的外圍電路工作方式各不相同，速度也各有快慢，信息的交換受DSP數(shù)字信號處理器的控制。各種任務(wù)均由接口去完成，接口信號受到干擾將影響到系統(tǒng)的控制結(jié)果。接口的干擾又來自其相連接的傳輸線，包含了印制板的電路線設(shè)計(jì)和電路板與電路板間的連接。電路板與電路板間的連接最常用的傳輸線有扁平電纜、雙絞線和同軸電纜等，從抗干擾的角度看，雙絞線是一種抵抗電磁干擾性能較好的傳輸線，其相交的回路中兩線的往返電流感應(yīng)作用相抵消，因此作用距離達(dá)10 m，用于電源的輸出和輸入部分。DSP產(chǎn)生的PWM控制信號作用于IPM，采用光耦隔離，因?yàn)楣怦畹墓材Ｒ种票群芨?，有效地防止了控制電路和PWM變換器間的共模干擾，其原理圖如圖2所示。

      2．3 總線的抗干擾措施 

      (1)采用三態(tài)門式的總線提高抗干擾能力。由于DSP總線的直流負(fù)載能力有限，如果不夠，就需要通過緩沖器再與芯片相連接；

      (2)總線上數(shù)據(jù)沖突的防止措施：CPU與隨機(jī)存儲器的連接是由總線收發(fā)器通過內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上會在某瞬間產(chǎn)生沖突，解決方法是縮小隨機(jī)存儲器存取數(shù)據(jù)的時間即縮小選通時間；

      (3)克服總線上瞬間不穩(wěn)定的措施：當(dāng)兩個相位相反的控制信號在時間上存在偏差時，一個由低電平變?yōu)楦唠娖?，而另一個還來不及由高電平變?yōu)榈碗娖?，兩個均是高阻狀態(tài)，這一瞬間如果總線的負(fù)載是TTL電路，他將因自身的泄漏電流使總線電壓不穩(wěn)定；若負(fù)載全是CMOS或NMOS，則有幾百兆歐的斷開狀態(tài)，很容易耦合干擾。用上拉電阻連接到電源，使總線在此瞬間處于高電位，這樣增強(qiáng)了總線的抗干擾能力。其上拉電阻常選擇1Ω。

      2．4 功率輸出的電磁兼容設(shè)計(jì)

      功率輸出部分是由IPM、驅(qū)動電路和泵升電路組成的電源變換器。運(yùn)用PWM算法，DSP產(chǎn)生的6組PWM信號通過光電耦合器的隔離傳輸，再通過IPM驅(qū)動電路控制IPM內(nèi)部的IGBT開關(guān)工作。直流電源端加吸收電容，可以抑制開關(guān)噪聲。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證低壓控制電路盡可能地遠(yuǎn)離功率電路，以保證低壓地信號不受到電磁幅射和耦合。

      2．5 印制電路板抗干擾措施

      實(shí)踐證明，印制電路板的設(shè)計(jì)對抗干擾和保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定有重要影響。印制電路板加電后，印制線上的電流將產(chǎn)生電磁波輻射到空間，電路中的高速元件、晶體振蕩器等器件也將產(chǎn)生電磁輻射。在高速處理的數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)2倍的延遲時間大于脈沖的上升沿或下降沿時，印制電路板中的數(shù)字信號傳輸線應(yīng)當(dāng)按分布參數(shù)的傳輸線的要求考慮匹配，如一般轉(zhuǎn)換速度較快的TTL電路，印制線長度大于10 cm以上時就要加終端匹配措施。COMS電路的轉(zhuǎn)換速度比較慢，印制線長度可放寬5～6倍。根據(jù)電磁輻射模型公式：

      E=263