DSP控制電機中減少電磁干擾的幾項技術(shù)

　電磁干擾在工業(yè)控制中越來(lái)越成為一個(gè)嚴重的問(wèn)題。在使用TMS320C24X DSP控制器來(lái)控制數字電機的應用中，如何減少電磁干擾也是一個(gè)重要的問(wèn)題。在電機控制中，一方面，要在電路設計上盡量減少電磁干擾的產(chǎn)生，另一方面，因為最大的電流在PWM控制H橋（優(yōu)化的PWM的開(kāi)關(guān)模式）中是具有代表性的，同樣的空間矢量PWM之和或者不穩定的PWM載波信號能更進(jìn)一步的減少電磁干擾，我們可采用最適宜的PWM模式，使用軟件代碼技術(shù)來(lái)減少電磁干擾。下面我們就從硬件和軟件兩方面來(lái)分析說(shuō)明電磁干擾的產(chǎn)生及減少電磁干擾的措施。

　　電路設計時(shí)電磁干擾的產(chǎn)生及措施

　　在電磁電路中的電磁兼容性很大范圍是由線(xiàn)路貯藏和互相連接的成分決定的。有從天線(xiàn)返回的相應信號列是能放射出電磁能量的，其最主要是由于電流幅值，頻率和電流線(xiàn)圈的幾何面積決定的。通常,有三個(gè)主要的電磁干擾來(lái)源：電源、高頻信號、振蕩器電路。下面我們分別分析產(chǎn)生原因及其防范措施。

　　電源

　　當一CMOS反向換流器在改變輸出狀態(tài)時(shí)，兩晶閘管會(huì )有一段很短的時(shí)間同時(shí)導通。這會(huì )使電流增長(cháng)很快，導致在電源線(xiàn)路上出現電流尖峰。這引起一段或長(cháng)或短的電源線(xiàn)路的短路，這被證實(shí)是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)重要原因。 減弱電源電壓的波動(dòng)，使其接近一100nF瓷旁路電容器的供應，是十分有效的。然而，由于電路的寄生成分，例如集成和電源線(xiàn)路的阻抗，旁路電容器是不能有效減少電流峰值的，因此也不能減少輻射干擾。為了抑制這些電流尖峰（至少在電源線(xiàn)路上）使其不擴展到其他部位，我們用一個(gè)方法可以做到，就是在極間耦合電容器和電源線(xiàn)路之間增加一個(gè)感應線(xiàn)圈LH，如圖1所示。LH應接近TMS320F24X DSP芯片，以方便干擾被抑制。

圖1.TMS320F241-FN單層電路印刷版

　　信號回路

　　高頻信號回路，例如較低地址線(xiàn)，時(shí)鐘信號，串行口等等，通常由幾并聯(lián)的100K和10K的負載，來(lái)產(chǎn)生一CMOS的信號輸出，帶或者不帶這負載會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很高的電流峰值。

　　我們可有兩種方法來(lái)減少這方面造成的電磁干擾,第一種是盡可能的減少這些電流,方法是在輸出接一個(gè)大約為50Ω的電阻。傳輸線(xiàn)原理表明這個(gè)電阻（內部+外部電阻）只要小于或者等于一般的線(xiàn)路阻抗值70-120Ω的話(huà)，這對速率是沒(méi)有什么負面影響的。第二個(gè)防范措施是使天線(xiàn)盡可能的小，最有效的方法是僅僅保持臨界線(xiàn)路（優(yōu)先時(shí)鐘回路，低地址回路，其他數據回路）盡可能的短。TMS320C24x的CPU時(shí)鐘倘若復位后由CLKOUT1提供，在不使用時(shí)最好切斷它。當外存儲器不用時(shí)，可以通過(guò)拉高或拉低數據線(xiàn)來(lái)避免由于懸空輸入端而引起的任何電流。

　　振蕩器

　　在數字系統中最高的連續頻率通常是由時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的，在C24x DSP的內部振蕩器中使用一晶體，這有助于減少高頻電流，同時(shí)被電流通路圍住的面積會(huì )減少電磁干擾。由于晶體在共振頻率上的幾百KΩ的高阻抗，電流在引起晶體共振的頻率上是很小的。然而CMOS反向換流器的輸出電壓是一個(gè)包含諧波的方波信號，所以晶體不再表示為一個(gè)高阻抗，這會(huì )引起很大的電流。 解決辦法是加上一個(gè)串聯(lián)電阻使這些電流成分減少。

　　兩個(gè)旁路電容器會(huì )在振蕩頻率時(shí)產(chǎn)生一個(gè)很小的電阻，因此會(huì )存在一個(gè)重要的電流回路Cs-X-Cs。為了使輻射最小，這面積要盡可能的小。圖1提供了一個(gè)外部晶體與TMS320F241 DSP相連的方案。串聯(lián)電阻的大小為1K，晶體的并聯(lián)電阻可以根據要求來(lái)接入。

　　優(yōu)化PWM模式，減少電磁干擾

　　當印刷電路板完成后，TMS320C24x DSP的PWM單元可以用來(lái)提供一個(gè)優(yōu)化的開(kāi)關(guān)模式，來(lái)進(jìn)一步減少電磁干擾的產(chǎn)生。接著(zhù)考慮的是制作一個(gè)由DSP來(lái)驅動(dòng)的3相H橋。

　　PWM模式

　　在電機控制領(lǐng)域中，我們常用三個(gè)典型的PWM模式（不對稱(chēng)PWM，對稱(chēng)和空間矢量PWM），三個(gè)典型的PWM模式在電磁干擾方面會(huì )有不同的影響。

　　對不對稱(chēng)PWM來(lái)說(shuō)，3相H橋的三個(gè)開(kāi)關(guān)是同時(shí)被打開(kāi)，且根據占空比來(lái)關(guān)閉。對稱(chēng)PWM的打開(kāi)和關(guān)閉與PWM的半個(gè)周期是有對稱(chēng)關(guān)系的，因此三相交換幾乎不發(fā)生在同一時(shí)間。這種方式來(lái)減少電磁干擾是與dU/dt和dI/dt有關(guān)的，這與不對稱(chēng)PWM相比有66%的近似。在使用正弦波時(shí)，兩種模式最小的H橋連接電壓UDC具有有效的電機電壓功能，其數值可根據下式求出：

　　空間矢量PWM也是與PWM周期對稱(chēng)相關(guān)的，但是，既然只有兩個(gè)晶體管在一PWM周期被切斷，則電磁干擾輻射與對稱(chēng)PWM相比減少了30%。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最小連接電壓UDC比正弦對稱(chēng)PWM的大約降低15%，其數值可根據下式求出：

　　也因此du/dt也能進(jìn)一步被減少。

　　下表列出了不對稱(chēng)、對稱(chēng)和空間矢量 PWM 的性能比較

　　上面我們分析了產(chǎn)生電磁干擾最小的PWM模式,下面我們闡述采用最適宜的PWM模式，使用軟件代碼技術(shù)來(lái)減少電磁干擾。對于TMS320F240的PWM單元來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言是一典型的代碼工具。所有相關(guān)的PWM寄存器在定時(shí)器1溢出時(shí)被屏蔽和重置，我們選用空間矢量PWM或者對稱(chēng)PWM模式。

　　下面我們列出空間矢量PWM/對稱(chēng)PWM初始化的編碼：

　　#define SPACE_VECTOR_PWM

　　T1CON=OX2840; /*50ns周期內脈沖數*/

　　T1PR =PWM_PERIOD; /*PWM載波頻率*/

　　 /*FPWM=50ns*2* PWM_PERIOD*/

　　# ifdef SPACE_VECTOR_PWM; /*空間矢量PWM*/

　　COMCON=0X1207; /*Timer1=0時(shí)重置CMPRX，T1PR，ACTR使能PWM1-6輸出*/

　　#else

　　COMCON=0X0207; /*對稱(chēng)PWM*/

　　#endif

　　ACTR=0X0666； /*1，3，5路PWM高；2，4，6路PWM底*/

　　DBTCON=0X14E0; /*死區時(shí)間=1 us*/

　　COMCON=0X8000; /*使能比較單元*/

　　搖擺的PWM載波

　　當電磁干擾與連續的PWM載波頻率相聯(lián)系，且其諧波太高時(shí)，我們可以通過(guò)對這個(gè)頻率的調制來(lái)降低電磁干擾。調制方法比如三角信號，任意的噪音等,我們可用示波器看出其波形。

　　圖2表明一固定的載波信號為20KHZ的PWM頻譜和輸出脈沖電壓，載波信號振幅的峰值和其諧波為36db，高于基底噪音。圖3示范了搖擺的載波信號（20KHZ+/-2KHZ），使用一隨意的噪音（一個(gè)任意噪音的產(chǎn)生僅需要6個(gè)時(shí)鐘周期）來(lái)產(chǎn)生一擴展頻譜的結果，與一固定的載波信號相比，電磁干擾被減少了12DB。進(jìn)一步減少18DB可用+/-4KHZ的調制來(lái)完成。

圖2.固定20KHZPWM載波信號的FFT

圖3.具有+/-2KHZ的隨意噪音調制信號的20KHZ PWM載波信號的FFT

　　在許多應用程序中輸出電壓是分數(Q15)換算到最大的正/負輸出電壓，一三相輸出的PWM，是相電壓U(a)，U(b)，U(c)在一正弦PWM或者是空間矢量PWM電壓情況下，由2個(gè)差60度正分數矢量U(x)，U(X+60)和矢量旋轉方向來(lái)表現的。在逆時(shí)針旋轉情況下由U(x)來(lái)決定的，在順時(shí)針旋轉情況下由U(x+60)來(lái)決定的。兩個(gè)PWM模式的分電壓u(a)，U(b)，U(c)或U(x)，U(x+60)須相乘，以此得到相應的PWM占空比。因此，在更新PWM的比較值時(shí)，搖擺PWM時(shí)期不要增加任何系統操作!

　　在下面的例子中顯示了C語(yǔ)言怎么在中斷服務(wù)子程序中以+/-10%PWM的載波調制用于當前的中斷控制。

　　PWM載波信號的編碼列表：

　　/* Wobble PWM (Timer 1) period by±10% */

　　pwm_period = PWM_PERIOD + wobble_random(PWM_PRIOD/10);

　　/* Update Space Vector PWM */

　　SV_PWM_Update(pwm_period,u_x,u_x60,sector,direction);

　　Wobble random()，SV-PWM-Update()在匯編時(shí)被寫(xiě)入，使其運行時(shí)間最小，并提供C兼容接口，允許能從C調用，使程序具有更好的可讀性。

　　結束語(yǔ)

　　本文所闡述的在用DSP控制電機的應用中減少電磁干擾的硬件和軟件的兩點(diǎn)方法，能顯著(zhù)降低電磁干擾的程度，具有廣泛的應用意義。在硬件方面所采取的措施，能盡量減少電磁干擾的產(chǎn)生；在軟件方面采取的最適宜的空間矢量PWM模式比對稱(chēng)PWM模式，能減少電磁干擾30%，搖擺的PWM載波比固定的載波信號電磁干擾減少了12DB，進(jìn)一步可減少18DB。