基于DSP的變頻調速系統電磁干擾問題研究

1 電磁干擾(EMI)分析

??? 1．1 電磁干擾的概念及途徑

??? 電磁干擾產生于干擾源,他是一種來自外部和內部的并有損于有用信號的電磁現象。干擾經過敏感元件、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、現象普遍存在,形式各異,稱之為傳導干擾,他按帶不帶信息可以分為信息傳導干擾源和電磁噪聲傳導干擾源兩類。信息傳導干擾源是指帶有的無用信息對模擬通道的干擾。電磁噪聲傳導干擾源是指不帶任何信息的電磁噪聲對變頻系統的干擾。

??? 傳導電磁干擾傳輸通道可以分為電容傳導耦合(或稱電場耦合)、電阻傳導耦合(或公共阻抗耦合)及電感傳導耦合(或互感耦合)。電容傳導耦合是指干擾源和信號傳輸線(包括印制電路線)之間通過導線以及部件的電容互相交鏈而構成的電磁傳導耦合。電阻傳導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成的傳導電磁耦合。電感傳導耦合實質上是磁場耦合。

??? 1．2 數字變頻調速系統電磁干擾問題
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??? 數字變頻調速系統中這3種情況都存在,電阻傳導耦合和電感傳導耦合的表現尤為明顯,主要是參考地的設計、印制線路板的設計和高低壓的隔離,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是數字信號,其外部接口電路也多數是數字電路,包括功率器件IPM也工作在開關狀態,整個系統具有明顯的數字電路特征,只有電流反饋環路是模擬信號,通過DSP的片內A／D轉換器將模擬信號轉成數字信號進行處理,再控制PWM的輸出來實現閉環控制。在本設計中電磁干擾的表現具體分析為以下幾點。

??? (1)瞬態脈沖干擾對數字電路的影響

??? 數字信號處理器以二進制碼為基礎。用高、低電平來表示二進制數據,并通過各種電路來描述信號特征,從而達到控制對象的目的。瞬態脈沖干擾將嚴重地影響了數據傳輸和控制狀態,對于數字電路本身雖然具有很強的抗干擾能力,但在高頻率電路中易受到攜帶高能量的脈沖干擾,其干擾部位表現在時鐘發生器、總線數據傳輸、PWM控制信號。IPM內部的IGBT高速工作在開關狀態將產生很強的開關噪聲,通過地線、電源線、分布電容、分布電感的耦合帶入低壓數字電路中,有時嚴重地干擾了TMS320F240數字信號處理器的運算,表現為失控、程序跑飛和死機。

??? (2)分布電感、電容對信號的影響

??? 基于DSP控制的系統設計,控制部分通常選用TMS320F240EVM評估板,控制電路印制板的設計簡化了很多,只有IPM驅動板的電路設計和印制板要仔細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模塊不可恢復的永久損壞。

??? (3)電源對系統的影響

??? 電源是多種干擾信號影響系統正常工作的途徑,主要有以下幾點影響：

??? 內阻不可能為零,凡是共電源的部分其干擾信號都可以通過電源內阻互竄;電網線上是外部干擾(如：雷電、電磁發射)進入的渠道;電源負載的斷開與接通將在電網上形成很大沖擊,感性負載的沖擊更為嚴重;電源本身將產生許多干擾信號,特別是IGBT高速開關產生的開關噪聲。

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??? 干擾信號在系統中存在2種形態,即共模與串模干擾信號。在數字系統中常用此來表征干擾作用的存在,如圖1所示。串模干擾又稱正態干擾,他是指串聯于信號回路中的干擾,產生于傳輸線的互感,其與頻率有關,常用濾波和改善采樣頻率來減少。共模干擾又稱共態干擾,是干擾電壓同時加到兩條信號線上出現的干擾,因此線路傳輸結構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,辦法是一點接地或浮空隔離(用脈沖變壓器、扼流圈或光電耦合器截斷地電流)。

??? 2 硬件抗干擾技術

??? 2．1 電源系統的電磁兼容設計

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

??? (1)電網輸入的交流電應加EMI抑制濾波器,即由共態扼流圈L,電容C,電阻R組成的低通濾波器。他不僅能防止電網的串模、共模干擾信號進入電源,而且還有效地防止系統本身產生的干擾進入電網,有利于環保。

??? (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電源輸入端應并聯小容量的高頻電容,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,這樣能減小環路的電流產生電磁場的輻射。

??? (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,不是燒壞系統就是形成振蕩,需要用快速響應的浪涌吸收器、電壓瞬態抑制二極管(TVS)來防止;
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??? Δt為微秒級,屬于尖峰電壓干擾,由于持續時間短,一般不會燒壞系統,但能破壞DSP的源程序的運行,使邏輯功能混亂,信號線應遠離干擾源和加屏蔽;

??? Δt為納秒級,屬于射頻干擾,對DSP和數字信號的危害不嚴重,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
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??? 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數字信號處理器的控制。各種任務均由接口去完成,接口信號受到干擾將影響到系統的控制結果。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計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作用相抵消,因此作用距離達10 m,用于電源的輸出和輸入部分。DSP產生的PWM控制信號作用于IPM,采用光耦隔離,因為光耦的共模抑制比很高,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。

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??? 2．3 總線的抗干擾措施

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

??? (2)總線上數據沖突的防止措施：CPU與隨機存儲器的連接是由總線收發器通過內部雙向數據總線實現的,內部數據總線上會在某瞬間產生沖突,解決方法是縮小隨機存儲器存取數據的時間即縮小選通時間;

??? (3)克服總線上瞬間不穩定的措施：當兩個相位相反的控制信號在時間上存在偏差時,一個由低電平變為高電平,而另一個還來不及由高電平變為低電平,兩個均是高阻狀態,這一瞬間如果總線的負載是TTL電路,他將因自身的泄漏電流使總線電壓不穩定;若負載全是CMOS或NMOS,則有幾百兆歐的斷開狀態,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計

??? 功率輸出部分是由IPM、驅動電路和泵升電路組成的電源變換器。運用PWM算法,DSP產生的6組PWM信號通過光電耦合器的隔離傳輸,再通過IPM驅動電路控制IPM內部的IGBT開關工作。直流電源端加吸收電容,可以抑制開關噪聲。在系統設計中應保證低壓控制電路盡可能地遠離功率電路,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

??? 實踐證明,印制電路板的設計對抗干擾和保證系統的工作穩定有重要影響。印制電路板加電后,印制線上的電流將產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生電磁輻射。在高速處理的數字系統中,當2倍的延遲時間大于脈沖的上升沿或下降沿時,印制電路板中的數字信號傳輸線應當按分布參數的傳輸線的要求考慮匹配,如一般轉換速度較快的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電路的轉換速度比較慢,印制線長度可放寬5～6倍。根據電磁輻射模型公式：

??? E=263×10-6(f2AI)／r

??? 式中：E為印制電路板空間r處的輻射場強;f為印制電路板上的工作電流的頻率;A為印制電路板上的環路面積;I為印制電路板上的電流。

??? 由上式可以看出,減小f,A,I均可以降低印制電路板上的電場發射。為了更好地抑制干擾,印制電路板的設計中應考慮以下一些問題：

??? (1)布線原則：數字信號線和模擬信號線分開,強弱信號分開,直流電源線正交,發熱元件應遠離集成電路,磁性元件要屏蔽,每個IC芯片的電源端對地端要有去耦電容,引線要短;

??? (2)印制板的大小應適中,邏輯元件相互靠近,與易產生干擾的器件遠離。印制電路板的接地線應盡量寬,這不僅僅是因為能減少損耗,而且也能減少線的電感分量,從而減小共模干擾。如果是雙層布線或多層布線時應遵循電源和地為中間層、頂層和底層的電線相互正交,盡量少走平行線。

??? (3)印制電路板上電源輸入端跨接10～100μF的電解電容,對易受電路中干擾信號影響和有暫態狀陡峭變化電流的器件,其與地之間接入高頻特性好的去耦電容,如RAM,ROM芯片動作時電流變化大,應在每片的電源端加O．01μF的陶瓷電容以旁路高頻。

??? 3 軟件抗干擾技術

??? 軟件抗干擾既能提高效能、節省硬件,又能解決硬件解決不了的問題。大量的干擾源雖然不能造成硬件的破壞,但卻使系統的工作不穩定、數據不可靠、運行失常、程序“跑飛”,嚴重時可導致DSP的控制失靈、發生嚴重事故。由于故障是暫時、間歇、隨機的,用硬件解決比較困難,而軟件可借助以下的技術予以解決：

??? (1)利用陷阱技術防止干擾造成的亂序現象擴展下去;

??? (2)利用時間冗余技術,屏蔽干擾信號,即多次采樣輸入、判斷,以提高輸入的可靠性;利用多次重復輸出來判斷,提高輸出信息的可靠性;重新初始化,強行恢復正常工作,以免I／O的輸入輸出不正常;查詢中斷源的狀態,防止干擾造成誤中斷;在不需要的時間里屏蔽中斷,以減少因干擾引起的誤中斷;

??? (3)容錯技術：采用一些特定的編碼,對數據進行檢查,判斷是否因存放受干擾,然后從邏輯上對錯誤進行糾正;

??? (4)指令冗余：對重要的指令可重復寫多個;

??? (5)標志法：設特征標志、識別標志,常在內部數據區的保護中應用;

??? (6)數字濾波技術：主要針對模擬信號受到干擾。