03 消除脉宽调制 (PWM) 直流电机的电磁骚扰

Emission measurements with the NNB 21 line impedance stabilization network or HFW 21 RF current transformer and the ChipScan-ESA software for spectrum analyzers from Langer EMV-Technik GmbH

被测物由一个配备电源的测试电路板、微控制器、PWM 以及直流电动机等部分组成。

直流电动机连接在测试电路板的PWM输出端。 直流电机通常由电枢、极罐和电刷集流器等部分构成。

被测物以及显著骚扰源的示意图

总共有三个显著的骚扰源:

  1. 电源部分 (在隔离电源的情况下, 骚扰抑制非常复杂)
  2. PWM 电路
  3. 换向器的换向过程,因为直流电机的电枢电感而产生骚扰

利用线路阻抗稳定网络,可以在测试电路板的电源输入端口测试受到的干扰。 由于上述三种骚扰源会产生叠加, 所以干扰抑制非常复杂。 一般情况下很难从频谱中识别出哪个骚扰源导致问题的出现。

除此之外,PWM 工作模式的直流电动机中还存在 PWM 信号和换向电枢电感信号之间的共振。 这种共振显著地增强了骚扰。 而对于直流电工作模式的电动机, 情况就变得相对容易。

对三个骚扰源进行单独抑制, 是非常有意义的做法。 我们最好从电源部分进行。

使用负载电阻代替直流电动机。 仅仅通过去干扰电容 C3 连接直流电动机, 使其被动地参与到实验装置中。 在这种情况下, PWM 电路是断开的。

隔离电源通过开关电源变压器产生很强的容性电流。 通过限制开关电压和回扫电压的 du / dt 可以降低这种电流, 但是大多情况下这还不够。 采用加入电容器 C1 的方法, 可以使该电流返回源端。

该措施的效果可以通过线路阻抗稳定网络 NNB21 或者射频电流转换器 HFW21 以及频谱分析仪软件 ChipScan-ESA 进行测试和记录。 利用该软件, 可以任意改变相应频谱曲线的颜色、将频谱曲线堆叠显示等操作, 从而方便快速地对其进行比较分析。

而去除 PWM 电路的骚扰通常是更复杂一些。 PWM 信号通过抑制电刷火花的电容器 C3 传导到极罐, 并从那里传输至测量接地参考表面 (GP23)。 电流经由 NNB21 流回, 在那里测量的值就是噪声电流。 从极罐到 GP 23 的路径可以通过固体接地 (A) 或经由寄生电容 C5。 PWM 工作模式下的电容器 C3 应该很小 (大约 1 nF), 以便将流出的 PWM 电流控制在一定的限度内。 这项措施通常还不够, 还必须在 PWM 和直流电机的线路中加入纵向扼流圈, 以进一步减少 PWM 的骚扰电流。

必须注意, 在 PWM 工作模式下, 不要使用已经对直流干扰有抑制效果的电机。 这样的电机可能配有 10-100 nF 的电容 C3, 它将大大增加 PWM 模式时的噪声电流。 采用电气隔离极罐, 通常只能在较低的频率范围减少骚扰电流, 因为极罐和接地之间的电容 C5 跨接了电隔离。

与以上所述相反, 为了清除电刷干扰, 电容器 C3 要求尽可能大于 1 nF。 对于 PWM 去干扰而言, 这是一个很难解决的矛盾。 这个问题可以通过上面已经提到的在 PWM 线路上串联扼流圈的办法进行缓解。

从电机中伸出的金属轴, 也会导致更高的耦合输出, 所以结构设计方面的措施, 也会起到一定的作用。 所有这些措施都可以利用线路阻抗稳定网络 NNB 21 或者射频电流转换器 HFW 21 进行测量, 并利用芯片扫描软件 ChipScan-ESA 进行分析和评估。

总体而言, 我们的任务是巧妙利用所有这些措施, 令人满意地掌握和控制这三个骚扰源。

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Newsletter Chinese - Interference suppression on a direct-current motor controlled by PWM