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(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，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(shí)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(shí)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(shí)和加長PWM控制信號的上、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(shí)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(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(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(shí)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(shí)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。
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(shù)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(tǒng)的控制結(jié)果。接口的干擾又來自其相連接的傳輸線，包含了印制板的電路線設(shè)計(jì)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有扁平電纜、雙絞線和同軸電纜等，從抗干擾的角度看，雙絞線是一種抵抗電磁干擾性能較好的傳輸線，其相交的回路中兩線的往返電流感應(yīng)作用相抵消，因此作用距離達(dá)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?yàn)楣怦畹墓材Ｒ种票群芨?，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 總線的抗干擾措施
(1)采用三態(tài)門式的總線提高抗干擾能力。由于DSP總線的直流負(fù)載能力有限，如果不夠，就需要通過緩沖器再與芯片相連接；
(2)總線上數(shù)據(jù)沖突的防止措施：CPU與隨機(jī)存儲器的連接是由總線收發(fā)器通過內(nèi)部雙向數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上會在某瞬間產(chǎn)生沖突，解決方法是縮小隨機(jī)存儲器存取數(shù)據(jù)的時(shí)間即縮小選通時(shí)間；
(3)克服總線上瞬間不穩(wěn)定的措施：當(dāng)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)還來不及由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑑蓚€(gè)均是高阻狀態(tài)，這一瞬間如果總線的負(fù)載是TTL電路，他將因自身的泄漏電流使總線電壓不穩(wěn)定；若負(fù)載全是CMOS或NMOS，則有幾百兆歐的斷開狀態(tài)，很容易耦合干擾。用上拉電阻連接到電源，使總線在此瞬間處于高電位，這樣增強(qiáng)了總線的抗干擾能力。其上拉電阻常選擇1Ω。
2．4 功率輸出的電磁兼容設(shè)計(jì)
功率輸出部分是由IPM、驅(qū)動電路和泵升電路組成的電源變換器。運(yùn)用PWM算法，DSP產(chǎn)生的6組PWM信號通過光電耦合器的隔離傳輸，再通過IPM驅(qū)動電路控制IPM內(nèi)部的IGBT開關(guān)工作。直流電源端加吸收電容，可以抑制開關(guān)噪聲。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證低壓控制電路盡可能地遠(yuǎn)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(shè)計(jì)對抗干擾和保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定有重要影響。印制電路板加電后，印制線上的電流將產(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(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)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(shù)字信號傳輸線應(yīng)當(dāng)按分布參數(shù)的傳輸線的要求考慮匹配，如一般轉(zhuǎn)換速度較快的TTL電路，印制線長度大于10 cm以上時(shí)就要加終端匹配措施。COMS電路的轉(zhuǎn)換速度比較慢，印制線長度可放寬5～6倍。根據(jù)電磁輻射模型公式：
　　E=263×10-6(f2AI)／r
式中：E為印制電路板空間r處的輻射場強(qiáng)；f為印制電路板上的工作電流的頻率；A為印制電路板上的環(huán)路面積；I為印制電路板上的電流。
由上式可以看出，減小f，A，I均可以降低印制電路板上的電場發(fā)射。為了更好地抑制干擾，印制電路板的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下一些問題：
(1)布線原則：數(shù)字信號線和模擬信號線分開，強(qiáng)弱信號分開，直流電源線正交，發(fā)熱元件應(yīng)遠(yuǎn)離集成電路，磁性元件要屏蔽，每個(gè)IC芯片的電源端對地端要有去耦電容，引線要短；
(2)印制板的大小應(yīng)適中，邏輯元件相互靠近，與易產(chǎn)生干擾的器件遠(yuǎn)離。印制電路板的接地線應(yīng)盡量寬，這不僅僅是因?yàn)槟軠p少損耗，而且也能減少線的電感分量，從而減小共模干擾。如果是雙層布線或多層布線時(shí)應(yīng)遵循電源和地為中間層、頂層和底層的電線相互正交，盡量少走平行線。
(3)印制電路板上電源輸入端跨接10～100μF的電解電容，對易受電路中干擾信號影響和有暫態(tài)狀陡峭變化電流的器件，其與地之間接入高頻特性好的去耦電容，如RAM，ROM芯片動作時(shí)電流變化大，應(yīng)在每片的電源端加O．01μF的陶瓷電容以旁路高頻。
3 軟件抗干擾技術(shù)
軟件抗干擾既能提高效能、節(jié)省硬件，又能解決硬件解決不了的問題。大量的干擾源雖然不能造成硬件的破壞，但卻使系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)不可靠、運(yùn)行失常、程序“跑飛”，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致DSP的控制失靈、發(fā)生嚴(yán)重事故。由于故障是暫時(shí)、間歇、隨機(jī)的，用硬件解決比較困難，而軟件可借助以下的技術(shù)予以解決：
(1)利用陷阱技術(shù)防止干擾造成的亂序現(xiàn)象擴(kuò)展下去；
(2)利用時(shí)間冗余技術(shù)，屏蔽干擾信號，即多次采樣輸入、判斷，以提高輸入的可靠性；利用多次重復(fù)輸出來判斷，提高輸出信息的可靠性；重新初始化，強(qiáng)行恢復(fù)正常工作，以免I／O的輸入輸出不正常；查詢中斷源的狀態(tài)，防止干擾造成誤中斷；在不需要的時(shí)間里屏蔽中斷，以減少因干擾引起的誤中斷；
(3)容錯(cuò)技術(shù)：采用一些特定的編碼，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，判斷是否因存放受干擾，然后從邏輯上對錯(cuò)誤進(jìn)行糾正；
(4)指令冗余：對重要的指令可重復(fù)寫多個(gè)；
(5)標(biāo)志法：設(shè)特征標(biāo)志、識別標(biāo)志，常在內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)的保護(hù)中應(yīng)用；
(6)數(shù)字濾波技術(shù)：主要針對模擬信號受到干擾。