基于RFID的農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)控系統(tǒng)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(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。