电磁兼容.docx
《电磁兼容.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁兼容.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电磁兼容
直流电机PWM控制器电磁兼容设计
摘要：
近年来,直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现,使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（pulsewidthModulation,简称PwM）控制方式己成为主流。
与此同时,电磁干扰带来的问题也越来越严重,现在己成为电气系统和设备正常工作突出的障碍。
因此如何在共同的电磁环境中,使电气设备不受干扰的影响,而能相容的正常工作,是迫切急需解决的技术问题,而这一点正是研究电磁兼容性的目的。
文中首先对电磁兼容性问题进行理论分析,阐明了电磁干扰的本质和条件,分析了主要的电磁干扰,以及抑制干扰的措施。
分析了一般控制系统中的传导干扰的噪声源及祸合、电磁干扰的一些模型和相关的EMC设计。
其次,设计一个直流电机PWM控制器,简要介绍了直流电动机的PWM调速原理。
详细的介绍了CW1525A集成器及其电路设计。
论文立足于工程实际应用和调速系统的具体要求,从脉宽调制的理论出发对主电路和控制部分各模块的功能和电路实现进行了研究,得到一个基于CW1525A的直流电机脉宽调速的控制器的设计方案。
论文以设计的直流电机PWM控制器为研究对象,首先根据相关的标准对没有进行EMC设计的控制器进行测试,得到的测试数据显示系统的电磁兼容性很差。
然后对电路的每一部分进行分析设计,加入相关的EMC设计,应用了电磁兼容性措施,其中大小电容并联使用,拓宽了频率的范围,使控制器的接地滤波的效果更好。
最后又用同样的方法对控制器进行电磁兼容测试,得到的数据显示,控制器的电磁兼容性良好。
关键词：
PWM；CW1525A；电磁兼容；传导；辐射
一、引言
电磁兼容问题是伴随着电子技术的发展而产生的,人们在生产及生活中使用的电子、电气设备的数量越来越多,这些设备在工作的同时必然要发射一些有用的或无用的电磁能量,它将影响其它设备的工作,从而形成电磁干扰[1]-[3]。
例如继电器通、断产生的瞬态电磁脉冲使计算机工作失常,飞机低空飞过住宅时,将干扰电视机和收音机的正常工作,使电视机出现杂乱的画面,电视机出现讨厌的噪音。
严格地说,只要把两个以上的元件置于同一环境中,工作时就会产生电磁干扰,在系统之间会出现系统间的相互干扰,在系统内部各设备之间会出现设备间的相互干扰,在同一电子设备中的各部分电路会存在相互干扰。
尤其在航天飞机、普通飞机及舰艇中,大量的电子设备密集在狭小的空间,相互间的电磁干扰非常重要,在战斗中由于飞机和军舰上防御电子系统、进攻电子系统的相互干扰不能同时兼容工作而出现事故的情形屡见不鲜。
此外,人为干扰和自然干扰有可能使系统或设备的性能发生有限度的降级,甚至可能使系统和设备失灵,干扰严重时会使系统和设备发生故障,例如,由于雷电和静电放电干扰和其它人为干扰,使火箭、飞船发射后出现计算机故障或系统爆炸的事故多次发生。
各种强电干扰可能引起易挥发燃料、弹药和电爆装置的爆炸。
同时,长期的电磁辐射将影响人体健康。
客观事实使人们认识到电磁干扰的严重危害,为了保障电子系统和设备的正常工作必须研究、分析预测干扰,限制人为干扰强度,研究抑制电磁干扰的有效技术手段,提高抗干扰能力,并进行合理的设计等,以使共同环境中的系统和设备能执行各自的正常功能。
为了保证电子系统的正常工作,必须进行严格的电磁兼容设计,它对系统效能有着重大影响,其影响范围如图1-1所示。
由图可见电磁兼容在产品设计中的重要性,它应贯穿于研制、设计、生产、工艺、试验和使用等阶段。
在产品设计之初就应该考虑电夕磁兼容问题,否则待产品出来进行测试时才发现问题,那时再设法解决将花费很高的代价,甚至不能彻底解决问题。
图1-1电磁兼容影响效能的范围
1.1.2电磁兼容技术发展状况
电磁兼容是通过控制电磁干扰来实现的,因此该学科是在认识电磁干扰、研究电磁干扰和对抗电磁干扰的过程中发展起来的。
电磁干扰是人们早已发现的古老问题,1881年,英国著名科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章,这是研究干扰问题最主要的早期文献。
1833年,法拉第发现电磁感应定律。
1864年麦克斯韦引入位移电流的概念指出变化的电场将激发磁场,并由此预言电磁波的存在,这种电磁场的相互激发并在空间传播,是电磁干扰存在的理论基础。
1887年柏林电气协会成立全部干扰问题委员会,1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在,同时该实验也指出了各种打火系统将向空间发出电磁干扰,从此开始了对干扰问题的实验研究。
1889年英国邮电部门研究了通信干扰问题,1934年英国有关部门对一千例干扰问题进行了分析,发现其中50%是电气设备引起的。
随着广播等无线电事业的发展,人们逐渐认识到应该对各种干扰进行控制。
国际无线电干扰特别委员会（CISPR）以及其它有关学术组织及专业委员会的成立,开始了对电磁干扰问题进行世界性的有组织地对抗。
显而易见,干扰与抗干扰问题是贯穿于无线电技术的发展的始终,电磁干扰问题虽然由来己久,但电磁兼容这一新的学科却是近代形成的,在干扰问题的长期研究中,使人们从理论上认识了电磁干扰产生的原因,明确了干扰的性质及数学物理模型,逐渐完善了干扰传输及藕合的计算方法,提出了抑制干扰的一系列技术措施,建立了电磁兼容的各种组织及电磁兼容系列标准和规范,逐渐在电子学中形成一个新的分支,即为电磁兼容。
80年代以来,电磁兼容己成为十分活跃的学科领域,许多国家在电磁兼容标准与规范,分析预测、设计、测量及管理等方面均达到了很高水平。
现在电磁兼容己不只限于电子和电气设备本身,还涉及到电磁污染,电磁噪声等一系列生态效应及其它一些学科领域。
我国由于过去的工业基础比较薄弱,电磁环境危害尚未充分暴露,对电磁兼容的研究认识不足,起步较晚,与国际间的差距较大。
近些年来,随着我国经济建设及科学技术的飞跃发展,对电磁兼容的研究出现了热潮。
国家有关部门对电磁兼容技术十分重视,有关电磁兼容的学术组织纷纷成立,开展了一系列学术活动。
国内不少单位都建设或改造了EMC实验室,引进了较先进的电磁干扰和电磁敏感度自动测试系统和设备。
1.1.3电磁兼容标准
由于电磁干扰已成为系统和设备正常工作的突出障碍,为了保证电磁兼容的实施,国际有关机构、各国政府、军事部门以及其它相关组织制定了一系列电磁兼容性标准和规范,标准和规范对设备或系统非预期发射和非预期响应做出了规定和限制,执行标准和规范是实现电磁兼容性、提高系统性能的重要保证。
标准与规范的种类和数目是相当多的,就其涉及的内容而言,它主要有这几个方面:
1、规定了电磁发射和敏感度的极限值;
2、统一规定了测量方法;
3、统一规定电磁兼容领域内的名词术语;
4、规定了设备、系统的电磁兼容要求及控制方法。
国外在研究、制定和实施电磁兼容性标准方面己有较长的历史,美国从二十世纪40年代起到现在先后制定了与电磁兼容性有关的军用标准和规范100多个。
美国第一个无线电干扰标准是1945年6月制定的陆、海军标准JAN-I-225“150KHz~20MHz”无线电干扰测量方法”。
1964年美国国防部组织专门小组改进标准和规范的管理工作,制定了三军共同的标准和规范,就是著名的MIL一STD一460系列电磁兼容标准[4],该标准主要用于设备和分系统的干扰控制及其设计,它提供了评价设备和分系统电磁兼容性的基本依据,同时,它还可以用于分析处于复杂电磁环境中的系统的电磁兼容性和有效性。
这个标准经过不断地修改、补充和完善,不仅成为美国的军用标准,而且亦为亚欧各国的军事部门所采纳,目前最新的美国军用标准是MIL-STD-461E。
国际无线电干扰特别委员会（CISPR）作为国际电工技术委员会的下属机构,是国际间从事无线电干扰研究的权威组织,经常在其出版物中发表的关于测量技术的规范,推荐干扰的允许值标准及控制干扰发射的报告,己为世界许多国家所采用,成为世界各国民用的通用标准[5]。
二、控制系统的电磁兼容性
典型的控制系统一般由控制电路、驱动电路、检测电路组成。
控制电路受数字控制器控制,数字控制器将外部指令或内部程序规定好的指令,将反馈的电流、电压、转速信号通过特定的算法,生成期望的PWM或者其它形式的开关信号,从而控制驱动电路逆变器桥臂的开关,来调节电动机的转速。
控制系统在工作中,大功率管在开关过程中,寄生元件（如寄生电容、寄生电感等）中能量的高频变化产生了大量的电磁干扰。
随着工作频率的不断提高,电磁干扰问题越来越严重。
控制系统有较强的电磁干扰发射源,这些电磁骚扰信号有较大的幅度,占用很宽的频带,如果不加以控制,则会通过传导和辐射的方式对周围设备产生电磁干扰,影响其它设备的正常工作,造成电磁环境污染。
数字电路的EMC性能决定了控制系统的可靠性和产品性能。
电力电子设备的发展趋势是高效率、高功率密度、高开关频率和低成本,而应用在控制系统中的数字控制器的工作频率也越来越高、工作电压越来越低、功耗越来越大,这使得对数字控制器的EMC设计进行专门研究越来越迫切。
2.1控制系统的传导电磁干扰
2.1.1基本模态
单相交流和直流电路中,差模（Differential,DM）和共模（CommonMode,CM）是传导EMI的两种基本模态。
DM噪声和CM噪声在电路中存在的形式不同,特性也不一样,因此需要区别对待。
通常,DM信号中包含电路的有用分量,特点是信号电流比较大,电路形状可见、比较规则、阻抗较小,物理面积有限;而CM信号存在于电路和地之间的环路里,信号电流小,但是电路形式不可见、形状不规则、阻抗大,物理面积大。
因此,CM噪声更加难以发现和控制,甚至有可能成为电路的主要噪声源[5]。
下面以图2-1所示的单相三相制电路为例,说明DM和CM模态的含义。
图2-1DM和CM模态
图2-1中所示的L线与N线中的电流参考方向下
（2-1）
因此，CM电流DM电流可以推算出
（2-2）
显然，如图2-1所示的CM电压和DM电压可以表示为
（2-3）
从（3-2）式可以看出,如果L线和N线电流严格对称（因此DM分量也称为对称分量,CM分量也称为不对称分量）,则ICM=0,VDM=VCM=IDMZL/2。
这和电工理论中讲述的情况吻合。
但是实际电路中L线和N线电流不可能做到严格对称,因此EMC的研究对象就是电路的非理想工作情况。
2.1.2控制系统内部的DM和CM噪声源
控制系统内部的DM噪声和CM噪声主要由主功率电路中开关管的高速开关引起。
电网传导来的DM噪声,主要是由于电网投切负荷、雷击、放电等瞬态现象发生时,会在电网内形成侨态噪声,这种噪声将主要沿供电线进入电力电子系统内部,最终干扰数字控制设备。
电子设备内部开关管的高速开关导致的DM模态的传导噪声源比较容易描述。
下面以如图2-2所示的单相输入三相输出的PWM逆变器为例,讨沦较复杂的控制系统内部的DM噪声源。
现在己经能形成共识的是,开关元件中流过的非线性电流就是DM噪声源。
为了描述这个非线性电流,先来分析其波形的成因[6]
图2-2带LISN的单相输入三相输出PWM逆变器主功率拓扑[7]
如图2-2所示即为SPWM逆变器的调制策略示意图。
一个周波（20ms）分为6个基本时区，
图2-3SPWM的调制策略框图
每个时区都有自己的开关序列。
输出滤波器电感Lf中的电流波形可以表示为:
（2-4）
这里
是输出电流的幅值，
是调制波的角频率。
是调制波的初相角。
以区域Ⅰ为例,三相逆变桥上桥臂的开关管的控制信号分别如图2-4（a）所示。
假设
，
，
。
在开关周期内保持恒定,图2-5（b）为本区域开关序列下直流母线电流波形,图2-4（b）中Ia,Ib,Ic分别ia、ib、ic在本开关周期内的值。
电流尖刺Ir是二极管的反向二极管恢复电流,
是其反向恢复时间。
其它区域的开关序列和直流母线电流依此类推。
图2-4（a）上三管PWM控制信号（b）直流母线电流idc波形
由图2-2可知,idn-idc。
同时idl。
可以看作负载电流（如图3一5（a）所示）和二极管的
反向恢复电流（如图3-5（b）所示）的合成:
Idm=idm1+idm2（2-5）
因此idm的频谱可以看做是idm1和idm2的叠加。
（a）（b）
图2-5直流母线电流中的（a）负载电流（b）反向二极管恢复电流
与DM噪声只存在预先设计的电路之中不同,CM噪声存在于电路与大地之间,因
此准确地进行计算是比较困难的。
图2-6所示为图2-3所示的单相输入三相输出的PWM逆变器内部CM噪声的通路
图2-6噪声通路单相输入三相输出PWM逆变器内部CM
示意图。
噪声产生于桥臂开关管M1~M6风的高速开关行为在其与接地散热片一之间的寄生电容CSg上引起的位移电流,这些电流将沿直流母线流入电网（被LISN采样）,或者沿输出电缆和负载电机与大地之间的寄生电容Ctg和Cmg流入大地。
它的传播路径难于精确建模和控制,而且将会带来严重的CM噪声[7]。
CM噪声除了沿电缆线传播形成传导EMI,它将导致强烈的辐射EMI问题.
2.1.3控制系统内部传导EMI噪声的耦合
2.1.3.1公共阻抗耦合
传导祸合要求源与敏感电路之间有完整的电路连接。
图2-7中,信号源
通过内阻Zs和电源线阻抗易向负载Zp及ZL馈电,最后通过地阻抗Zo返回。
在没有噪声耦合不存在风
支路）时,负载上分得的电压
（2-6）
图2-7公共地阻抗耦合示意图
显然,噪声源内通过公共阻抗Zo给负载ZL引入了噪声。
从式（3-7）噪声项可以看出,尽量减小公共阻抗Zo是减小该噪声的唯一途径。
不光公共地阻抗Zo可以祸合噪声,供电网络阻Zp也是常见的公共阻抗,也需要慎重对待[8]。
2.1.3.2感性耦合与容性耦合
如图2一8（a）和（b）所示,噪声源九和风通过互感M和互电容c向负载zL传播噪声。
实际电路中,公共阻抗耦合、容性耦合与感性耦合都同时存在。
对于低阻抗回路,
Zs+ZL+ZP的大小和互感M的阻抗相差不特别大的情况下,互感M将在负载zL上形
成比较大的噪声电流,对电路的影响将更加明显;对于高阻抗回路,容性耦合将会起到
（a）（b）
图2-8（a）感性耦合示意图（b）容性耦合示意图
主要作用,频率越高,影响越明显。
相比较而言,公共阻抗耦合比感性耦合和容性耦合容易发现,相对也容易控制;容性耦合与感性耦合是近场耦合的简化表示,处理起来更加复杂。
三、控制系统的传导EMC设计
3.1.1电源的传导EMC的设计
3.1.1.1PCB上电源系统的阻抗模型
（a）开关电源小信号模型
图3-1（a）所示为反激式开关电源的拓扑结构图,其简化的小信号模型如图3-1（b）所示,图中电阻Ron为开关管的等效导通电阻,R为负载电阻,D为控制脉冲的占空比,D’为1-D。
对于一个以100kHz的开关频率工作的Flyback型开关电源,由
噪声引起
的负载变化频率若为100MHz,电源的控制环节根本来不及根据负载的瞬时波动调节占
空比D。
因此,图3-1（b）中简化的小信号模型忽略了占空比D的波动。
本节只考虑负载
R的改变所引起输出电压价（t）的变化,这和一般控制设计上的小信号模型不同[9]。
由
图2-1（b）可以得出
（3-1）
图2-1（a）反激式开关电源拓扑（b）简化的小信号模型
式（2-1）揭示了输出电压和输出负载之间的祸合关系。
这里,电源的占空比D、变压器变比n及输入电压在10MHz的数字时钟频率上可以认为是不变的,Zs由开关电源内部电路决定,因此不能通过控制它们实现对输出电源的解耦。
由式（2-1）可以看到,负载阻抗ZR的波动直接导致负载电压波动。
因此,要想实现输出电源的解藕,可以通过:
（1）增大负载阻抗阻;
（2）减小负载阻抗波动;（3）增大电容c、减小Zc来实现。
（a）△I噪声源模型
门电路是数字电路的基本元件。
以CMOS非门为例探讨△I噪声形成的原因。
图2-2给出了其产生噪声的整个过程[10]。
图2-3（a）电路为图2-2中所产生的直流电源对IC供电的示意图。
图中所示是由一个推挽输出的PMOS（上管）和NM0S（下管）管对构成的非门，Vo为图2-1中电容C两端的电压,也是非门的输入电源,Vo。
为馈送到非门的当地电电源,Zs表示馈电网络等效串联阻抗,Ro和Co是非门的容性负载,Zg1是非门到负载的等效地阻抗,ZIN是从供电网络看过去的等效输入阻抗。
噪声产生在输入信号城n的“0一1”和“1一0。
”跳变沿,
图2-2（a）△I噪声源示意图（b）噪声源波形形成示意图
在每个跳变沿,存在一个瞬态共通（feedthrough）的瞬间。
如图2一2（a）中所示,假设初始状态为上管截止、下管导通,。
由“1”到“O”跳变时,下管还没有关断上管就开始导通,这时就存在上下管的瞬态共通状态,如图2一2（b）中t0一t,时段所示,这相当于将ZIN短路到“0”。
共通状态结束后,价开始通过Zs和PMOS管向负载电容C0充电,ZIN就等于输出电容C0,如图2一2（b）中tl一t:
时段所示。
负载电容C0上电压充到V0后,充电过程结束,ZIN就等于输出电阻R。
。
同理,巧n由“O”到“l”跳变时,上管还没有关断下管就开始导通,z,N又短路到“0”,如图2一2（b）中。
t3一t4时段所示。
该共通状态结束后,ZIN趋于无穷。
Zjs的波动,它将会引起芯片供电电压V0的变化,尽管每个门电路所形成的瞬态电压不是很大,但是现在高速数字电路的开关速度高,门数大,因此叠加起来的总体效果非常可观。
而且PCB板上馈电网络无处不在,因而它给板上其它电路和空间带来大量的传导噪声。
图3-3（a）单个IC的去耦（b）PCB板的去耦
（b）电源去耦元件的选择
本地去耦电容CD的选择要满足6>>n.Co,一般取CD>>100n▪Co。
这里n.Co是指本IC所带的负载电路的总电容。
电容的选取还有一个需要考虑的因素,就是不能和馈电网络在信号频率附近发生谐振[11]。
如前所述,去耦电感L。
的作用就是限制阻抗ZIN的剧烈变化,因而选用高感值的表面贴装电感器比较合适。
但是电感LD和Co很容易发生谐振,谐振时将会严重影响输出信号的完整性。
表贴式铁氧体磁珠比较适合用来做去祸电感。
它能在高频时提供一个等效串联电阻,有效抑制LD和Co之间发生的谐振。
同时,将流向馈电网络中的瞬态噪声聚集到磁珠体内转化为热量消耗,从而避免噪声信号进入供电网络。
进线去祸元件的选择,如图3-3（b）中所示,采用进线祸合能够减小PCB板和其它板之间的耦合。
通常,进线去耦电容的值取得比较大。
四、结论
随着现代电力电子技术、微处理器和控制技术的发展,对直流脉宽调速系统的全数字化和性能的提高提供了坚实的基础。
本文以直流电动机为控制对象,以CW1525A为控制核心,在脉宽调速技术、硬件设计、特别是电磁兼容设计等方面对全数字直流脉宽调速系统进行了深入的研究,取得了一些有意义的研究成果。
本文完成的主要工作有:
（1）介绍了电磁兼容的基本概念和理论。
包括电磁环境,电磁干扰与电磁兼容性概念,电磁干扰的本质及发生条件。
电磁干扰必须具备三个基本条件:
电磁干扰源、传播干扰能量的途径、敏感体。
电磁兼容性控制的理论和工程实际中所采用的方法,并介绍了电磁兼容性设计的基础知识。
（2）分析了控制系统的电磁干扰,包含传导干扰的基本模态,系统中传导电磁干扰噪声的耦合,PCB电源系统的阻抗模型等;分析了电磁兼容设计,包含电源系统的电磁兼容设计,滤波器的选择和设计,PCB板的设计原则及电磁兼容设计等。
又分析了控制系统中的辐射干扰的模型及辐射EMC设计。
（3）从直流脉宽调速系统的特性出发,分析了电压型PWM调速的特点及调速的原理。
设计了以芯片CW525A为核心的直流电机的调速器。
介绍了芯片CW1525A的内部结构和工作原理及电路设计,设计了芯片的外围电路,并针对控制系统的要求,设计了系统的驱动电路、电源电路及检测电路等硬件电路。
（4）对没有进行EMC设计的直流电机调速器进行传导辐射和电源线尖峰信号进行测试,得到的测试数据显示系统的电磁兼容性能差。
分析了调速器里的电磁干扰源,并进行了相应的电磁兼容性设计,包括电源系统、驱动电路、检测电路和PCB的电磁兼容设计。
使控制器的电磁兼容性变好,最后又用同样的测试方法对调速器进行电磁兼容测试,得到的数据证明了调速器的电磁兼容性能变好,各项指标都满足标准的要求。
参考文献
[l]刘鹏程.邱扬.电磁兼容原理及技术.高等教育出版社,1993.
[2]高牧纲.电磁兼容总论.北京:
北京邮电大学出版社,2001
[3]白同云,吕晓德.电磁兼容设计.北京邮电大学出版社,2001
[4]T.Williams,G.R.Orford.BestpracticeuseoftheCISPRAMN/LISN.InternationalConferenceandExhibitiononElectromagneticCompatibility,1999,pp.173-179
[5]顾希如.电磁兼容的原理、规范和测试.国防工业出版社,1988.
[6]蔡仁钢.电磁兼容原理、设计和预测技术.北京航空航天大学出版社,1997.
[7]冯杰,盖强等.高速数字电路设计与安装技巧.科学出版社.200
[8]白同云,吕晓德.电磁兼容设计.北京:
北京邮电大学出版社,2001.21一22
[9]姚勇涛,张仪成,赵康怀.直流电动机及直流调速系统的参数辨识.机车电传动,（6）:
21一23
[10]张井岗,曾建潮,孙志毅.直流电动机调速系统的内模控制.电机与控制学报,1998,2
（2）:
125一128
升级会员 