噪声敏感中使用PWM伺服放大器

关的问题。接地与屏蔽有两个主要目的。首先是强制电容性耦合的电流流入一个确切的路径;其次是确保任何沿该路径产生的噪声电压都不会干扰重要的信号。电机电缆屏蔽连接到电机壳与放大器接地，即建立起一个受控路径，电容性耦合的电流从中流过(图 2)。屏蔽不会消除电容，但可以控制它，这样，耦合效应在屏蔽处终结，而不会影响外部电路。理想的总体屏蔽要包括所有三根导体，以实现 100% 覆盖和对高频噪声电流为零阻抗路径的屏蔽。零阻抗路径可确保沿屏蔽没有电压降，整体屏蔽均为高压共电位。

　　至电机壳的屏蔽连接终止了电机绕组与电机壳之间的电容耦合。于是，电机壳为电机绕组提供了全面的屏蔽。另外，电缆屏蔽也为这些电流提供了一条返回放大器公共端的路径。

　　屏蔽电缆的电容与电机绕组至外壳的电容的典型值分别为 250 pF和 0.5 nF 量级。电缆电容是对铝箔屏蔽 4 芯 #16 AWG 线的测量值。如果 PWM 上升沿速率为 0.5V/ns，则全面屏蔽中的峰值电流为 I="Cdv/dt"=(2.5 nF+0.5 nF)0.5V/ns=1.5A。在 PWM 下降沿用同样的计算方法，但电流极性要反向。这样，当电机处在保持位置时，预计电缆屏蔽中流过的峰值电流可达 3A p-p。表 1 是推荐的接地与屏蔽方法。

　　 边沿滤波器

　　脱机供电的放大器从主电源获取交流电源，并用一个内置整流器为直流总线供电(图 3)。直流总线的负端不能用于连接电机电缆屏蔽，因为这是非隔离式直流供电放大器。在这种拓扑中，总线电压一般为100V或比大地电位要低许多，因此将电缆屏蔽连接到这个电位上会构成安全方面的危险。

　　非隔离的直流供电放大器的工作电压取自线路隔离的直流电源。这些电源的负电压线通常直接连接到大地。在这种结构中，将电缆屏蔽连接到公共总线是安全、可行、高效的。

　　对于脱机供电的放大器，应将屏蔽层连接到放大器的机壳接地。放大器内置的高电压、安全额定值电容可将总线旁路至机壳接地。这一连接为噪声电流提供了一条路径，使之流经屏蔽返回其源，即总线。

　　脱机供电放大器一般比直流供电放大器的工作电压高，因此，其 PWM 输出的 dv/dt 也要高于直流供电放大器。此外，由于电缆屏蔽电流先流经内置电容器，然后才返回放大器的总线，因此电缆屏蔽的效果比直流供电方案的要低。所以，采用脱机供电放大器的系统中PWM噪声问题也更难以解决。

　　对于使用脱机供电放大器的噪声敏感应用，可以采用另外一种削减噪声工具，即PWM边沿滤波器。PWM 边沿滤波器采用无源元件降低放大器 PWM边沿的dv/dt(图 4)。

　　PWM边沿滤波器串接于放大器和电机之间，增加PWM边沿的上升、下降时间。边沿滤波器可以减少所有电容性耦合电流的峰值幅度。同样，边沿滤波器设计的总体效率与滤波器效果之间也存在着一种折衷。可将上升、下降时间降低一个以上量级的滤波器设计过于庞大，功耗也太大。实际应用中更加有效的是一种能中度减少上升、下降时间的边沿滤波器。图中的实例是一个实际边沿滤波器的效果，其中dv/dt从0.5降低至小于0.2V/ns。噪声电流也以相同因数降低：I=Cdv/dt=(2.5 nF+0.5 nF)×0.2V/ns=0.6A。

　　为使边沿滤波器效果最大化，应尽量将其靠近放大器放置。对边沿滤波器与放大器之间连接的电缆作屏蔽，并使之尽量短。保持边沿滤波器与电机之间电缆的屏蔽，并确保每个屏蔽电缆段之间的连续性。