基于DSP的變頻調速系統電磁干擾問(wèn)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(lái)自外部和內部的并有損于有用信號的電磁現象。干擾經(jīng)過(guò)敏感元件、傳輸線(xiàn)、電感器、電容器、空間場(chǎng)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(chēng)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(lèi)。信息傳導干擾源是指帶有的無(wú)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(chēng)電場(chǎng)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(xiàn)(包括印制電路線(xiàn))之間通過(guò)導線(xiàn)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(xiàn)(包括印制電路線(xiàn))之間通過(guò)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(shí)質(zhì)上是磁場(chǎng)耦合。

      1．2 數字變頻調速系統電磁干擾問(wèn)題

      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(xiàn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，整個(gè)系統具有明顯的數字電路特征，只有電流反饋環(huán)路是模擬信號，通過(guò)DSP的片內A／D轉換器將模擬信號轉成數字信號進(jìn)行處理，再控制PWM的輸出來(lái)實(shí)現閉環(huán)控制。在本設計中電磁干擾的表現具體分析為以下幾點(diǎn)。

      (1)瞬態(tài)脈沖干擾對數字電路的影響

      數字信號處理器以二進(jìn)制碼為基礎。用高、低電平來(lái)表示二進(jìn)制數據，并通過(guò)各種電路來(lái)描述信號特征，從而達到控制對象的目的。瞬態(tài)脈沖干擾將嚴重地影響了數據傳輸和控制狀態(tài)，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(shí)鐘發(fā)生器、總線(xiàn)數據傳輸、PWM控制信號。IPM內部的IGBT高速工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)將產(chǎn)生很強的開(kāi)關(guān)噪聲，通過(guò)地線(xiàn)、電源線(xiàn)、分布電容、分布電感的耦合帶入低壓數字電路中，有時(shí)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(jiǎn)化了很多，只有IPM驅動(dòng)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(dòng)板間的信號總線(xiàn)分布電感的影響，他可能會(huì )造成信號的延時(shí)和加長(cháng)PWM控制信號的上、下降時(shí)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(diǎn)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(guò)電源內阻互竄；電網(wǎng)線(xiàn)上是外部干擾(如：雷電、電磁發(fā)射)進(jìn)入的渠道；電源負載的斷開(kāi)與接通將在電網(wǎng)上形成很大沖擊，感性負載的沖擊更為嚴重；電源本身將產(chǎn)生許多干擾信號，特別是IGBT高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲。

      干擾信號在系統中存在2種形態(tài)，即共模與串模干擾信號。在數字系統中常用此來(lái)表征干擾作用的存在，如圖1所示。串模干擾又稱(chēng)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(xiàn)的互感，其與頻率有關(guān)，常用濾波和改善采樣頻率來(lái)減少。共模干擾又稱(chēng)共態(tài)干擾，是干擾電壓同時(shí)加到兩條信號線(xiàn)上出現的干擾，因此線(xiàn)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(diǎn)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(shù)

      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(guān)的接口電路所需的+5 V，土12 V，和IPM驅動(dòng)電路的4組+15 V隔離電源。主電源是指用于電機驅動(dòng)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(wǎng)輸入的交流電應加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(shí)，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(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(xiàn)采用絞線(xiàn)連接，這樣能減小環(huán)路的電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)的輻射。

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

      Δt>1 s屬于過(guò)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(lèi)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(tài)抑制二極管(TVS)來(lái)防止；

      Δt為微秒級，屬于尖峰電壓干擾，由于持續時(shí)間短，一般不會(huì )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(xiàn)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

      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(wù)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(lái)自其相連接的傳輸線(xiàn)，包含了印制板的電路線(xiàn)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(xiàn)有扁平電纜、雙絞線(xiàn)和同軸電纜等，從抗干擾的角度看，雙絞線(xiàn)是一種抵抗電磁干擾性能較好的傳輸線(xiàn)，其相交的回路中兩線(xiàn)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(chǎn)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。

      2．3 總線(xiàn)的抗干擾措施 

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

      (2)總線(xiàn)上數據沖突的防止措施：CPU與隨機存儲器的連接是由總線(xiàn)收發(fā)器通過(guò)內部雙向數據總線(xiàn)實(shí)現的，內部數據總線(xiàn)上會(huì )在某瞬間產(chǎn)生沖突，解決方法是縮小隨機存儲器存取數據的時(shí)間即縮小選通時(shí)間；

      (3)克服總線(xiàn)上瞬間不穩定的措施：當兩個(gè)相位相反的控制信號在時(shí)間上存在偏差時(shí)，一個(gè)由低電平變?yōu)楦唠娖?，而另一個(gè)還來(lái)不及由高電平變?yōu)榈碗娖?，兩個(gè)均是高阻狀態(tài)，這一瞬間如果總線(xiàn)的負載是TTL電路，他將因自身的泄漏電流使總線(xiàn)電壓不穩定；若負載全是CMOS或NMOS，則有幾百兆歐的斷開(kāi)狀態(tài)，很容易耦合干擾。用上拉電阻連接到電源，使總線(xiàn)在此瞬間處于高電位，這樣增強了總線(xiàn)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(dòng)電路和泵升電路組成的電源變換器。運用PWM算法，DSP產(chǎn)生的6組PWM信號通過(guò)光電耦合器的隔離傳輸，再通過(guò)IPM驅動(dòng)電路控制IPM內部的IGBT開(kāi)關(guān)工作。直流電源端加吸收電容，可以抑制開(kāi)關(guān)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(shí)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(xiàn)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。在高速處理的數字系統中，當2倍的延遲時(shí)間大于脈沖的上升沿或下降沿時(shí)，印制電路板中的數字信號傳輸線(xiàn)應當按分布參數的傳輸線(xiàn)的要求考慮匹配，如一般轉換速度較快的TTL電路，印制線(xiàn)長(cháng)度大于10 cm以上時(shí)就要加終端匹配措施。COMS電路的轉換速度比較慢，印制線(xiàn)長(cháng)度可放寬5～6倍。根據電磁輻射模型公式：

      E=263