DSP数字控制系统的电磁兼容设计

摘 要：全数字化控制已成为现代电力电子设备控制方式发展的必然趋势。为提高控制系统的准确性和可靠性，完善的电磁兼容设计成为至关重要的因素。详细阐述了数字控制系统的电磁兼容设计。数字化控制有利于提高控制系统的抗干扰能力，增强控制系统的稳定性和可靠性。
关键词：电磁兼容；滤波；抗干扰；数字控制

EMC Design of Digital Control System Based on DSP
ZHONG He-qing, ZOU Yun-ping, XU Zhi-xin, CHAO Ze-yun
(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract: Using full digital control in modern power electronics devices has become the inevitable trend. In order to enhance the accuracy and reliability of the control system, the consummate design of EMC is very important. This paper expatiate the design of the digital control system’s EMS in detail. It can not only improve the immunity but also can enhance the stability and reliability of the control system.
Key words: EMC；filter；immunity；digital control

0 引 言
随着控制技术的不断发展，数字控制已成为电力电子设备控制系统发展的必然趋势。只有采用数字控制系统才能更好地实现系统指标和完成更为复杂的功能，同时数字控制还能提高系统的可靠性和增加控制的灵活性，并能降低成本、缩小体积。目前，在电源和电机控制方面，其数字控制的核心控制芯片较多地采用TI公司的电机控制专用芯片TMS320C24X系列芯片，该系列控制芯片为16位定点DSP内核，为模拟控制设计者提供了一个数字解决方案，并且不会牺牲原有系统的精度和性能。事实上，由于可以采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法，增强了系统的性能。该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，为控制系统提供了一个理想的解决方案。这些数字和混合信号的外设包括：定时器、串口（SCI、SPI）、模数转换（ADC）、事件管理器、系统保护（如低压检测和看门狗定时器）等。电力电子设备将强电和弱电紧密结合在一起，但是由于强电部分和弱电部分的功率、频率和电平相差极大，弱电部分的电平低、频率高、灵敏度高且对电磁干扰信号非常敏感，强电部分的电磁干扰有可能造成控制设备的误动作，甚至破坏元器件。所以抑制电磁干扰成为控制电路设计和应用必须重点考虑的问题，也成为控制系统可靠工作的关键因素之一。本文针对TMS320C24X控制系统，提出了其电磁兼容设计方法。包括减少TMS320C24X DSP电磁干扰的电路设计，电路板设计，以及控制方案对电磁兼容的影响。

1 数字控制电路的EMI主要来源及对策
电子电路的电磁兼容能力在很大程度上取决于所设计的元器件及其相互联接的方式。反馈信号线会形成天线，产生电磁能量辐射，其幅值决定于电流幅值、频率、电流环的面积。控制电路的EMI来源主要有三种：电源线、高频信号线和晶振电路。

（1） 电源
在任何时候，当CMOS器件改变其输出状态时，两个互补的晶体管存在换流，其结果增加了电源电流，这种尖峰电流将直接通过或多或少的电源线回路上，实践证明这种尖峰电流将会导致非常可观的电磁干扰。

在电源引脚处接以100nF的瓷片旁路电容是较好的去耦办法。然而，电路寄生元件，如封装的引脚阻抗和电源线，会形成等效的天线，旁路电容并不能完全有效地减少电流尖峰，因此，也就不能消除干扰。为了抑制电流尖峰特别是电源线上的电流尖峰，使电流尖峰不影响到其他元器件，通过在去耦电容和电源线之间增加磁芯电感（铁氧体环形磁芯）可以得到改善，磁芯电感应靠近集成芯片，这可减少其干扰。

（2）信号线

具有高频信号的信号线、低位地址线、时钟、串口等，其通常接CMOS输入终端，相当于几个100kΩ电阻和10pF电容并联的负载，这一负载的充电和放电均会产生尖峰电流，形成电磁干扰。一个可能减少此电流的办法是在输出端串接一个大约50Ω的电阻。传输线理论表明，只要输出电阻（内部电阻＋外部电阻）小于或等于线路阻抗（其典型值为70Ω～120Ω），这一电阻在速度上就没有负面影响。
第二个预防措施是天线（信号及其响应的返回线）应尽可能少，最有效的方法也是最简单的方法是关键的线应尽可能短。如时钟线、位地址线、以及其他数据线。TMS320C24X CPU时钟，复位后由CLKOUT1关掉，当在实际应用中没有用到该脚时，建议将CLKOUT1关掉。当没有用外部存储器时，将这些引脚接上拉或下拉电阻，可避免由于浮置输入端而引起的内部电流所产生的内部干扰。

（3）晶振

在数字控制系统中高频振荡的晶振通常出现在时钟发生器中，当利用晶振与C24X内部晶振组合时，为了减少这部分的EMI，应减少这一部分的电流通路所围成的面积。由于晶振的在谐振频率处具有高阻抗（约为100kΩ）特性，因而晶振谐振频率点的电流是很小的。然而，输出电压是CMOS变换器的输出电压，是方波信号，其中包含大量谐波，因此，晶振就不再是高阻抗，这会导致较大的谐波电流，串联电阻可以减少相应的电流，串联电阻Rs应在1kΩ范围内。
在振荡频率处，两个旁路电容提供了低阻抗特性，因此，有相当的电流流过旁路电容。同时，为了减少电磁辐射，这一部分电路所围成的面积应该尽量小。

2 数字控制电路的常用抗干扰措施[2][3]
（1）交流电源输入端采用电感电容滤波，去掉高频和低频干扰脉冲。
（2）变压器采用隔离措施，变压器初级输入端并接电容，初次级线圈间屏蔽层接大地，这是硬件抗干扰的关键手段。
（3）变压器次级加低通滤波器，吸收变压器产生的浪涌电压。
（4）用集成式直流稳压电源，因为它们通常具有过流、过压、过热等保护。建议使用单端反激电源，因为单端反激电源的工作原理是先将输入能量储存在变压器中，再将能量传递到副边，因此，电源输入端的差模干扰对副边没有影响，因此其抗外界电磁干扰能力要相对强些。
（5）I/O口采用光电、磁电、继电器隔离，去掉公共地线。
（6） 通信线用双绞屏蔽线，排除平行电容干扰，强干扰环境中应采用光纤，如防雷电环境中采用光纤隔离最有效。
（7）电源装置外壳接大地，解决人身安全及防外界电磁干扰。
（8）加复位电压检测电路，防止复位不充分，CPU就工作，尤其是含有EEPROM器件的电路，复位不充分会改变EEPROM的内容。
（9）少用分离门电路，多用集成度高的元器件来代替分离门电路，这样有利于减少由于外部连线较多而产生相互干扰和振荡。
（10）印制板抗干扰工艺
① 电源线加粗；合理走线、接地；三总线分开，减少互感振荡。
② CPU、RAM、ROM等主要芯片，VCC和GND之间接电解电容和瓷片电容，去掉高、低频干扰脉冲。
③ 采用独立系统结构，减少插件与连线，提高可靠性，减少故障率。
④ 集成块与插座接触可靠，用双簧插座或军品插座，最好将集成块直接焊在印制板上，防止相互之间接触不良故障。
⑤有条件采用四层以上的印制板，中间两层为电源层和地线层。

3 控制系统的电磁干扰屏蔽技术
电力电子设备中，由于存在剧烈的di/dt，因而会对周围的控制电路产生电磁干扰，导致控制电路工作异常，di/dt越大，电磁干扰就越强，另外，电力电子设备中往往使用变压器进行电压变换或实现隔离。由于变压器的存在漏磁，会对周围形成磁场干扰，因此，为保障控制电路不受干扰，需对控制电路进行电场屏蔽和磁场屏蔽。

4 软件抗干扰设计
1）多用查询代替中断，把中断减少到最少，中断信号连线长度应不大于0.1m，以避免误触发和感应触发。
2）A/D转换采用数字滤波，以防止突发性干扰。如采用平均法、比较平均法等。
3）在软件中的关键地方设置看门狗，即使软件走飞也能从头开始。
4）对于输入的开关信号进行延时去抖动。
5）I/O口正确操作，必须检查口执行命令情况，防止外部故障不执行控制命令。
6) 通信应加奇偶校验或采用查询、表决、比较等措施，防止通信出错。必要时，重新复位通信寄存器设置，防止通信错误而导致通信失败或造成其他故障。

5 抗电磁干扰的控制方案选择
根据电磁干扰理论，常用的几种电源波形，就其电磁干扰而言，由小到大是：高斯波形，余弦波，临界阻尼指数波，梯形波，锯齿波，三角波，矩形波。因此，采用软开关电路可以减少主电路对控制电路的电磁干扰。采用空间矢量PWM或不恒定的PWM产生器也可以减少电磁干扰。
在完成PCB后，C24X的PWM单元通过优化开关模式可以进一步减少EMI，以三相直流全桥逆变电路为例。
典型的PWM模式有三种，对称、不对称、空间矢量，不同的PWM模式对EMI辐射的影响是不同的。所有的PWM模式在C24X PWM单元中都有支持。
对称PWM控制方案由du/dt和di/dt所产生的电磁干扰大约只有不对称PWM控制方案的66%。而空间矢量PWM控制方案所产生的电磁干扰与对称PWM相比减少了30%[1]。
研究表明[1]，PWM频率恒定时电路所产生的EMI及其谐波均很大，对PWM频率进行微小改变就可以大幅减少EMI，如采用三角载波在一定频率内随机变化等。

6 结论
磁兼容设计是否合理直接关系到数字控制系统能否安全可靠工作。电源设计师应根据系统的工作环境、电源的技术性能指标、工艺复杂性、成本等因素进行电磁兼容性综合设计。本文就常用的电磁兼容性设计进行了较为详细的探讨，有助于高可靠性数字控制系统的软硬件设计。[G]