1 PWM控制系統(tǒng)的基本組成
PWM控制系統(tǒng)的組成如圖1 所示。
圖1 PWM伺服控制系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)為由無刷直流電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)載雷達(dá)伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)由位置傳感器(無刷旋轉(zhuǎn)變壓器) 、位置與速度檢測解調(diào)單元、A/D 轉(zhuǎn)換電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、PWM控制驅(qū)動電路、無刷直流電動機(jī)等部分組成,系統(tǒng)的位置與速度校正運(yùn)算則由控制計(jì)算機(jī)完成。
2 電磁干擾的產(chǎn)生與傳遞途徑
系統(tǒng)中形成電磁干擾必須具備以下3 個(gè)基本條件:存在干擾源;有對干擾敏感的接收單元;有耦合通道,即能把干擾能量從干擾源耦合到敏感接收器上、并使系統(tǒng)明顯惡化的介質(zhì)中。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,只要消除了其中一個(gè)因素,干擾就能被抑制。
PWM控制系統(tǒng)中的干擾源主要有:
a) 驅(qū)動器中功率電路的開關(guān)元件在開關(guān)過程中,大脈沖電流的切換引起的干擾,其di/dt 很大,不僅影響驅(qū)動電路,而且還會通過電源、地進(jìn)入控制電路。
b) 電動機(jī)啟動、制動時(shí),在負(fù)載突變處產(chǎn)生瞬變電壓,其振幅會高于電源電壓,而且前沿陡峭、頻帶很寬,經(jīng)由直流電源進(jìn)入控制電路。
在PWM控制系統(tǒng)中,許多部件、元器件都會成為被干擾的敏感單元。但接收干擾必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:干擾源的信號電平超過了電子部件的容許范圍;干擾源的信號頻率可以被電子部件響應(yīng)。
圖2 PWM控制系統(tǒng)中干擾的主要傳遞途徑
PWM控制系統(tǒng)中的敏感單元主要有PWM開關(guān)器件驅(qū)動接口電路、數(shù)字電路及微處理器、傳感器等。PWM控制系統(tǒng)中主要干擾傳遞途徑(見圖2) 有:
a) 傳導(dǎo)耦合。通過電源線、地線、信號線將干擾引入敏感單元。
b) 公共阻抗耦合。傳遞信號需要一個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)即電位參考點(diǎn),這就形成了公共阻抗,流入公共阻抗的電流便將干擾耦合到其他電路中,不良的接地方式是引起公共阻抗耦合的主要原因。
c) 輻射耦合。載荷導(dǎo)線或元器件會輻射電磁場,因而元器件與元器件之間、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與元器件之間會通過分布電容或互感產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
d) 線間感應(yīng)耦合。若線間距離較小,信號大時(shí)會產(chǎn)生線間耦合。
3 電磁干擾的抑制
3. 1 元器件的合理布局與印制電路板的布線設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),應(yīng)在初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電磁兼容性分析,選用不易產(chǎn)生干擾及對干擾不敏感的元器件和電路,同時(shí)對元器件和電路進(jìn)行合理布置,以減小相互影響, 并便于采取防護(hù)措施。元器件可選用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 器件,以減小印制板的干擾。印制板上的元器件可按電原理圖的順序排列,使各部分功能明確,并力求元器件安排緊湊,一般應(yīng)以某個(gè)元器件為中心來進(jìn)行組合布局,這樣可使走線最短。
設(shè)計(jì)印制板時(shí),盡量選用多層板,可將數(shù)字電路和模擬電路分開,安排在不同層。盡量使敏感元器件遠(yuǎn)離干擾源,例如功率電路中的主開關(guān)器件就屬于強(qiáng)干擾源,而濾波器、低電平放大器、微處理器及接口電路是弱信號部分,設(shè)計(jì)時(shí)兩者應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。盡量把干擾源單獨(dú)布置在一層,并遠(yuǎn)離敏感電路。如果系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字電路分為高速、中速和低速電路,可在印制板設(shè)計(jì)時(shí)使上部為高速數(shù)字電路,中部為中速電路,下部為低速電路。布線應(yīng)盡可能短,尤其在高頻電路中。印制導(dǎo)線的拐角應(yīng)成45°或圓角,因?yàn)橹苯腔蚣饨窃诟哳l電路和布線密度高的情況下會造成信號質(zhì)量、時(shí)序、電磁干擾問題。高速電路輸入及輸出所用的走線應(yīng)盡量避免相鄰或平行,以免發(fā)生回授,在這些走線之間最好加接地線。時(shí)鐘信號引線很容易產(chǎn)生電磁輻射干擾,布線時(shí)應(yīng)靠近地線,不能把它長距離與信號線平行走線。為避免信號線之間的串?dāng)_,兩條信號線切忌平行,而應(yīng)
采取垂直交叉方式或拉開兩線之間的距離,也可在兩條平行的信號線之間增設(shè)一條地線,以減小交叉干擾。
印制板設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采取“井”字網(wǎng)狀布線,即一面橫向布線,另一面縱向布線,以減小寄生耦合。在印制電路板上還應(yīng)盡可能多地保留銅箔作地線,這樣得到的屏蔽效果比一長條地線要好,其傳輸線特性和屏蔽作用將會得到改善,并能起到減小分布電容的作用。設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意根據(jù)印制板中電流的大小,盡量加粗電源線寬度,以減少環(huán)路電阻。
3. 2 地線的妥善處理
地線對電磁兼容性影響相當(dāng)大。PWM 控制系統(tǒng)包含電動機(jī)、功率電路、模擬電路、數(shù)字電路、傳感器等。系統(tǒng)中的模擬地作為運(yùn)算放大器、比較器、APD 轉(zhuǎn)換器、DPA 轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位;數(shù)字地作為系統(tǒng)中各數(shù)字電路的零電位,應(yīng)與模擬地分開,以避免模擬信號受數(shù)字脈沖干擾;信號地為傳感器(例如旋轉(zhuǎn)變壓器等) 或前置放大的地線;功率地是電動機(jī)、功率電路等大電流裝置的地線;機(jī)殼地包括機(jī)架、機(jī)殼、屏蔽罩等。系統(tǒng)地是各種地的最終回流點(diǎn),直接與大地相連;交流地是交流電源的零電平參考點(diǎn),交流地上很容易產(chǎn)生各種干擾,因此交流地不能與其他地線連接。
正確處理上述地線,是PWM 控制系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)中可將地線分為以下4 組,每組信號自成回路,以減少公共阻抗耦合。
a) 敏感信號及小信號電路地,包括低電平電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路等;
b) 不敏感信號和大信號電路地,包括高電平電路、末級驅(qū)動放大器等;
c) 干擾源地,包括電動機(jī)、功率電路等;
d) 機(jī)殼地。
系統(tǒng)最終采用串、并綜合一點(diǎn)接地。
3. 3 屏蔽、濾波措施的正確利用
對于輻射干擾和電磁耦合性干擾,切斷其傳播途徑的有效措施是屏蔽,凡是對系統(tǒng)構(gòu)成干擾源的設(shè)備和部件都應(yīng)將其屏蔽。一般可用雙絞線作為信號引線,以減少電磁感應(yīng),并且使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電動勢呈反向抵消。也可使用電纜,其抗干擾效果較好,但要注意電纜屏蔽層的接地,因?yàn)殡娎|屏蔽的作用主要是由屏蔽層接地產(chǎn)生的。
傳導(dǎo)途徑造成的干擾主要通過濾波技術(shù)加以解決。PWM伺服控制系統(tǒng)中,電流檢測信號含有交流分量,可加一個(gè)低通電流濾波環(huán)節(jié),放大器的輸出電路中也可加低通濾波器濾除高次諧波。對于數(shù)字電路,可用整形電路抑制尖峰噪聲、毛刺、寄生振蕩等;用積分電路去除窄脈沖噪聲,也可用軟件方法抑制噪聲。強(qiáng)電與弱電可用光電隔離器加以隔離,以減小強(qiáng)電對弱電信號的干擾。圖3 所示為PWM 伺服控制系統(tǒng)中的實(shí)際光隔隔離電路。
圖3 用光電隔離器隔離強(qiáng)電與弱電部分
合理使用高頻去耦電容可去除高達(dá)100 MHz 的高頻成分。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)印制板時(shí),每個(gè)集成電路的電源、地線之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用:一是集成電路的蓄能電容能提供和吸收該集成電路開門或關(guān)門瞬間的充放電能;二是可旁路掉該器件的高頻噪聲。
數(shù)字電路中典型的去耦電容值為0. 1μF ,有5 nH 分布電感,其并行共振頻率約7MHz ,也就是說,對于10 MHz 以下的噪聲有較好的去耦作用,對40 MHz 以上的噪聲幾乎不起作用。對于1μF、10μF 電容,其并行共振頻率在20 MHz 以上,去除高頻噪聲的效果會好一些,在電源進(jìn)人印制板的地方放一個(gè)10μF 的去高頻電容且并聯(lián)0. 1μF 的去耦電容,對抑制干擾往往是有利的。在PWM驅(qū)動電路的H 功率橋電源與地之間還應(yīng)并聯(lián)電容較大的鉭電容器,以抑制尖峰干擾。
3. 4 軟件抗干擾措施
應(yīng)將硬件和軟件結(jié)合起來抑制電磁干擾。軟件抗干擾的主要手段有:數(shù)字信號多次讀入,保證每次采樣信號絕對一致;數(shù)字信號多次讀出;輸入模擬量的數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波方法很多,需要注意的是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際信號特性來選擇合適的方法。下面是常用的幾種數(shù)字濾波方法:
a) 算數(shù)平均值法。常用于存在周期性干擾的情況,取連續(xù)N 個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi ( i = 1 ,2 , ……, N) 的算數(shù)平均值作為輸入信號。
b) 滑動平均值法。對于硬件采樣速度慢或?qū)Σ蓸铀俣纫蟾叩膶?shí)時(shí)系統(tǒng),為保證必要的速度,可以將采樣得到的N - 1 個(gè)數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存放在存儲器中,以后每采樣一個(gè)新數(shù)據(jù),就取最新的N - 1 個(gè)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值,最后一個(gè)舊數(shù)據(jù)滑出不用。
c) 防脈沖干擾平均值法。由于脈沖干擾的無規(guī)律性,可在軟件上采取n 次排隊(duì)取中值方法,以某一采樣周期連續(xù)采樣若干次,從所得的一組數(shù)據(jù)中去掉認(rèn)為最不可能的數(shù)據(jù),取剩余數(shù)據(jù)的平均值,便能得到與實(shí)際值相近的數(shù)據(jù)。
d) 一階遞推數(shù)字濾波法。軟件模擬RC 低通濾波器的一階遞推數(shù)字濾波公式為:
Yn = QXn + (1 - Q) Yn - 1 (1)
式中: Xn 為第n 次采樣時(shí)的輸入值; Yn 為第n 次采樣時(shí)的輸出值; Q 為數(shù)字濾波器的時(shí)間常數(shù),一般取Q=τ/T ;τ為采樣周期;1/T 為RC 濾波器3 dB 衰減點(diǎn)。
由式(1) 可達(dá)到任意通頻帶的低通濾波效果。除了上述措施外,還可以采用軟件冗余技術(shù),即設(shè)置備用程序或設(shè)置“軟件陷阱”,在程序可能跑飛的空間強(qiáng)行執(zhí)行一條指令,使程序跳轉(zhuǎn)到程序復(fù)位地址。同時(shí),要解決程序跑飛問題,還可加上軟、硬件結(jié)合的監(jiān)控定時(shí)器即看門狗系統(tǒng),以及采用軟件容錯(cuò)技術(shù),使系統(tǒng)的誤動作減少,可靠性提高。
4 結(jié)束語
PWM 控制系統(tǒng)中電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和傳遞途徑較為復(fù)雜,各種抑制干擾措施的有效性亦隨之而異,指望一種既簡單又萬能的方法是不現(xiàn)實(shí)的。但是,電磁兼容性對于PWM 控制系統(tǒng)的電氣性能和可靠性影響很大。因此,在產(chǎn)品的方案論證、設(shè)計(jì)等階段必須重視電磁兼容性的設(shè)計(jì)。
