基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾問題

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(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(hào)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(hào)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(hào)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(chǎng)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(hào)電氣特性上。DSP的輸入輸出信號(hào)多數(shù)是數(shù)字信號(hào)，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(gè)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(hào)，通過DSP的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)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(duì)數(shù)字電路的影響

　　數(shù)字信號(hào)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(hào)特征，從而達(dá)到控制對(duì)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(duì)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(shí)鐘發(fā)生器、總線數(shù)據(jù)傳輸、PWM控制信號(hào)。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(shí)嚴(yán)重地干擾了TMS320F240數(shù)字信號(hào)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(duì)信號(hào)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(píng)估板，控制電路印制板的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了很多，只有IPM驅(qū)動(dòng)板的電路設(shè)計(jì)和印制板要仔細(xì)地分析信號(hào)間的分布電容、分布電感的影響。但要注意考慮的是評(píng)估板與驅(qū)動(dòng)板間的信號(hào)總線分布電感的影響，他可能會(huì)造成信號(hào)的延時(shí)和加長PWM控制信號(hào)的上、下降時(shí)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(duì)系統(tǒng)的影響

　　電源是多種干擾信號(hào)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(hào)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(hào)，特別是IGBT高速開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。

　　干擾信號(hào)在系統(tǒng)中存在2種形態(tài)，即共模與串模干擾信號(hào)。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(hào)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(shí)加到兩條信號(hào)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(dòng)電路的4組+15 V隔離電源。主電源是指用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)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(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(hào)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(chǎng)的輻射。

　　(4)低壓與高壓利用互感器、光耦信號(hào)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(shí)間Δt的不同來選擇抑制對(duì)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(jí)，屬于尖峰電壓干擾，由于持續(xù)時(shí)間短，一般不會(huì)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(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源和加屏蔽;

　　Δt為納秒級(jí)，屬于射頻干擾，對(duì)DSP和數(shù)字信號(hào)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。