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、現(xiàn)象普遍存在，形式各異，稱之為傳導干擾，他按帶不帶信息可以分為信息傳導干擾源和電磁噪聲傳導干擾源兩類。信息傳導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。

傳導電磁干擾傳輸通道可以分為電容傳導耦合(或稱電場耦合)、電阻傳導耦合(或公共阻抗耦合)及電感傳導耦合(或互感耦合)。電容傳導耦合是指干擾源和信號傳輸線(包括印制電路線)之間通過導線以及部件的電容互相交鏈而構成的電磁傳導耦合。電阻傳導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成的傳導電磁耦合。電感傳導耦合實質(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，電阻傳導耦合和電感傳導耦合的表現(xiàn)尤為明顯，主要是參考地的設計、印制線路板的設計和高低壓的隔離，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)字信號進行處理，再控制PWM的輸出來實現(xiàn)閉環(huán)控制。在本設計中電磁干擾的表現(xiàn)具體分析為以下幾點。

(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制碼為基礎。用高、低電平來表示二進制數(shù)據(jù)，并通過各種電路來描述信號特征，從而達到控制對象的目的。瞬態(tài)脈沖干擾將嚴重地影響了數(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高速工作在開關狀態(tài)將產(chǎn)生很強的開關噪聲，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，有時嚴重地干擾了TMS320F240數(shù)字信號處理器的運算，表現(xiàn)為失控、程序跑飛和死機。

(2)分布電感、電容對信號的影響

基于DSP控制的系統(tǒng)設計，控制部分通常選用TMS320F240EVM評估板，控制電路印制板的設計簡化了很多，只有IPM驅(qū)動板的電路設計和印制板要仔細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)進入的渠道；電源負載的斷開與接通將在電網(wǎng)上形成很大沖擊，感性負載的沖擊更為嚴重；電源本身將產(chǎn)生許多干擾信號，特別是IGBT高速開關產(chǎn)生的開關噪聲。

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，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，辦法是一點接地或浮空隔離(用脈沖變壓器、扼流圈或光電耦合器截斷地電流)。

2 硬件抗干擾技術

2．1 電源系統(tǒng)的電磁兼容設計

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、共模干擾信號進入電源，而且還有效地防止系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾進入電網(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的源程序的運行，使邏輯功能混亂，信號線應遠離干擾源和加屏蔽；

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計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作用相抵消，因此作用距離達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，因為光耦的共模抑制比很高，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。