PWM 控制系統中的電磁兼容設計

    電磁兼容性是脈寬調製( PWM) 控制系統的重要指標。系統中由於功率電路主開關器件的快速導通和關斷,導致功率電路電流變化率di/dt 、電壓變化率du/dt 較大。它們在布線電感上產生很大的尖峰電壓,疊加在開關器件兩端,嚴重威脅開關器件的安全;另外,由於分佈電感和分佈電容的耦合作用,它們又會耦合到系統控制電路邏輯器件的輸入端,造成控制電路誤動作,使系統工作異常,甚至不能工作。因此,PWM控制系統對電磁兼容設計要求較高,其電磁兼容性設計應與系統設計同步進行,從方案論證階段開始,直至設計定型,都應採取電磁兼容性設計措施。

1 　PWM控制系統的基本組成
    PWM控制系統的組成如圖1 所示。
 
圖1 　PWM伺服控制系統組成
    該系統為由無刷直流電動機驅動的機載雷達伺服系統。系統由位置感測器(無刷旋轉變壓器) 、位置與速度檢測解調單元、A/D 轉換電路、D/A 轉換電路、PWM控制驅動電路、無刷直流電動機等部分組成,系統的位置與速度校正運算則由控制計算機完成。

2 　電磁干擾的產生與傳遞途徑
    系統中形成電磁干擾必須具備以下3 個基本條件: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、並使系統明顯惡化的介質中。在系統設計中,只要消除了其中一個因素,干擾就能被抑制。
    PWM控制系統中的干擾源主要有:
a) 驅動器中功率電路的開關元件在開關過程中,大脈衝電流的切換引起的干擾,其di/dt 很大,不僅影響驅動電路,而且還會通過電源、地進入控制電路。
b) 電動機啟動、制動時,在負載突變處產生瞬變電壓,其振幅會高於電源電壓,而且前沿陡峭、頻帶很寬,經由直流電源進入控制電路。
    在PWM控制系統中,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具備兩個條件:干擾源的信號電平超過了電子部件的容許範圍;干擾源的信號頻率可以被電子部件響應。
 
圖2 　PWM控制系統中干擾的主要傳遞途徑
    PWM控制系統中的敏感單元主要有PWM開關器件驅動介面電路、數字電路及微處理器、感測器等。PWM控制系統中主要干擾傳遞途徑(見圖2) 有:
a) 傳導耦合。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。傳遞信號需要一個公共基準點即電位參考點,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。載荷導線或元器件會輻射電磁場,因而元器件與元器件之間、導線與導線之間、導線與元器件之間會通過分佈電容或互感產生感應電壓。
d) 線間感應耦合。若線間距離較小,信號大時會產生線間耦合。

3 　電磁干擾的抑制
3. 1 　元器件的合理布局與印製電路板的布線設計
    設計系統時,應在初步設計階段進行電磁兼容性分析,選用不易產生干擾及對干擾不敏感的元器件和電路,同時對元器件和電路進行合理布置,以減小相互影響, 並便於採取防護措施。元器件可選用標準CMOS 器件,以減小印製板的干擾。印製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,一般應以某個元器件為中心來進行組合布局,這樣可使走線最短。
    設計印製板時,盡量選用多層板,可將數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離干擾源,例如功率電路中的主開關器件就屬於強幹擾源,而濾波器、低電平放大器、微處理器及介面電路是弱信號部分,設計時兩者應盡量遠離。盡量把干擾源單獨布置在一層,並遠離敏感電路。如果系統內的數字電路分為高速、中速和低速電路,可在印製板設計時使上部為高速數字電路,中部為中速電路,下部為低速電路。布線應儘可能短,尤其在高頻電路中。印製導線的拐角應成45°或圓角,因為直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會造成信號質量、時序、電磁干擾問題。高速電路輸入及輸出所用的走線應盡量避免相鄰或平行,以免發生回授,在這些走線之間最好加接地線。時鐘信號引線很容易產生電磁輻射干擾,布線時應靠近地線,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擾,兩條信號線切忌平行,而應
採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一條地線,以減小交叉干擾。
    印製板設計中應盡量採取“井”字網狀布線,即一面橫向布線,另一面縱向布線,以減小寄生耦合。在印製電路板上還應儘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,並能起到減小分佈電容的作用。設計中還應注意根據印製板中電流的大小,盡量加粗電源線寬度,以減少環路電阻。

3. 2 　地線的妥善處理
    地線對電磁兼容性影響相當大。PWM 控制系統包含電動機、功率電路、模擬電路、數字電路、感測器等。系統中的模擬地作為運算放大器、比較器、APD 轉換器、DPA 轉換器中模擬電路的零電位;數字地作為系統中各數字電路的零電位,應與模擬地分開,以避免模擬信號受數字脈衝干擾;信號地為感測器(例如旋轉變壓器等) 或前置放大的地線;功率地是電動機、功率電路等大電流裝置的地線;機殼地包括機架、機殼、屏蔽罩等。系統地是各種地的最終迴流點,直接與大地相連;交流地是交流電源的零電平參考點,交流地上很容易產生各種干擾,因此交流地不能與其他地線連接。
    正確處理上述地線,是PWM 控制系統電磁兼容設計的重要環節,直接影響到控制系統的可靠性。系統中可將地線分為以下4 組,每組信號自成迴路,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 轉換電路、D/A 轉換電路等;
b) 不敏感信號和大信號電路地,包括高電平電路、末級驅動放大器等;
c) 干擾源地,包括電動機、功率電路等;
d) 機殼地。
    系統最終採用串、並綜合一點接地。

3. 3 　屏蔽、濾波措施的正確利用
    對於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,凡是對系統構成干擾源的設備和部件都應將其屏蔽。一般可用雙絞線作為信號引線,以減少電磁感應,並且使各個小環路的感應電動勢呈反向抵消。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,因為電纜屏蔽的作用主要是由屏蔽層接地產生的。
   傳導途徑造成的干擾主要通過濾波技術加以解決。PWM伺服控制系統中,電流檢測信號含有交流分量,可加一個低通電流濾波環節,放大器的輸出電路中也可加低通濾波器濾除高次諧波。對於數字電路,可用整形電路抑制尖峰雜訊、毛刺、寄生振蕩等;用積分電路去除窄脈衝雜訊,也可用軟體方法抑制雜訊。強電與弱電可用光電隔離器加以隔離,以減小強電對弱電信號的干擾。圖3 所示為PWM 伺服控制系統中的實際光隔隔離電路。
 
圖3 　用光電隔離器隔離強電與弱電部分
    合理使用高頻去耦電容可去除高達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。設計印製板時,每個集成電路的電源、地線之間都要加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用: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門瞬間的充放電能;二是可旁路掉該器件的高頻雜訊。
    數字電路中典型的去耦電容值為0. 1μF ,有5 nH 分佈電感,其并行共振頻率約7MHz ,也就是說,對於10 MHz 以下的雜訊有較好的去耦作用,對40 MHz 以上的雜訊幾乎不起作用。對於1μF、10μF 電容,其并行共振頻率在20 MHz 以上,去除高頻雜訊的效果會好一些,在電源進人印製板的地方放一個10μF 的去高頻電容且並聯0. 1μF 的去耦電容,對抑制干擾往往是有利的。在PWM驅動電路的H 功率橋電源與地之間還應並聯電容較大的鉭電容器,以抑制尖峰干擾。

3. 4 　軟體抗干擾措施
    應將硬體和軟體結合起來抑制電磁干擾。軟體抗干擾的主要手段有:數字信號多次讀入,保證每次採樣信號絕對一致;數字信號多次讀出;輸入模擬量的數字濾波處理。數字濾波方法很多,需要注意的是應該根據實際信號特性來選擇合適的方法。下面是常用的幾種數字濾波方法:
a) 算數平均值法。常用於存在周期性干擾的情況,取連續N 個採樣數據xi ( i = 1 ,2 , ……, N) 的算數平均值作為輸入信號。
b) 滑動平均值法。對於硬體採樣速度慢或對採樣速度要求高的實時系統,為保證必要的速度,可以將採樣得到的N - 1 個數據按時間順序存放在存儲器中,以後每採樣一個新數據,就取最新的N - 1 個數據的算數平均值,最後一個舊數據滑出不用。
c) 防脈衝干擾平均值法。由於脈衝干擾的無規律性,可在軟體上採取n 次排隊取中值方法,以某一採樣周期連續採樣若干次,從所得的一組數據中去掉認為最不可能的數據,取剩餘數據的平均值,便能得到與實際值相近的數據。
d) 一階遞推數字濾波法。軟體模擬RC 低通濾波器的一階遞推數字濾波公式為:
Y_n = QX_n + (1 - Q) Y_n - 1        (1)
式中: Xn 為第n 次採樣時的輸入值; Yn 為第n 次採樣時的輸出值; Q 為數字濾波器的時間常數,一般取Q=τ/T ;τ為採樣周期;1/T 為RC 濾波器3 dB 衰減點。
    由式(1) 可達到任意通頻帶的低通濾波效果。除了上述措施外,還可以採用軟體冗餘技術,即設置備用程序或設置“軟體陷阱”,在程序可能跑飛的空間強行執行一條指令,使程序跳轉到程序複位地址。同時,要解決程序跑飛問題,還可加上軟、硬體結合的監控定時器即看門狗系統,以及採用軟體容錯技術,使系統的誤動作減少,可靠性提高。

4 　結束語
    PWM 控制系統中電磁干擾的產生機理和傳遞途徑較為複雜,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實的。但是,電磁兼容性對於PWM 控制系統的電氣性能和可靠性影響很大。因此,在產品的方案論證、設計等階段必須重視電磁兼容性的設計。