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(lái)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(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(yīng)、現(xiàn)象普遍存在,形式各異,稱(chēng)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(lèi)。信息傳導(dǎo)干擾源是指帶有的無(wú)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(chēng)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(xiàn)(包括印制電路線(xiàn))之間通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)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(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(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(wèn)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(xiàn)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(kāi)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(guò)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(lái)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(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù),并通過(guò)各種電路來(lái)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(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、PWM控制信號(hào)。IPM內(nèi)部的IGBT高速工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)將產(chǎn)生很強(qiáng)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(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(xiàn)分布電感的影響,他可能會(huì)造成信號(hào)的延時(shí)和加長(zhǎng)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(guò)電源內(nèi)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(fù)載的斷開(kāi)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(kāi)關(guān)產(chǎn)生的開(kāi)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(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(hào)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(hào)線(xiàn)上出現(xiàn)的干擾,因此線(xiàn)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(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(hào)和地線(xiàn)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(lái)選擇抑制對(duì)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(wěn)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(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(lái)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(xiàn)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。