在噪聲敏感應(yīng)用中使用PWM伺服放大器

電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服放大器的輸出電壓有一個(gè)基頻和幅度，它對(duì)應(yīng)于電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的極數(shù)。PWM 放大器本身也會(huì)產(chǎn)生較高頻率的電壓成份，主要對(duì)應(yīng)于 PWM 的上升與下降時(shí)間和重復(fù)速率。PWM 輸出的快速邊沿會(huì)將噪聲電流電容性耦合到周?chē)膶?dǎo)體上，除非系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采取措施來(lái)減少或消除耦合路徑。

　　因此，設(shè)計(jì)師在噪聲敏感應(yīng)用中使用 PWM 放大器時(shí)要特別小心。噪聲敏感應(yīng)用包括那些采用高分辨率編碼器、超聲換能器，或其它低電平、中頻信號(hào)發(fā)生器。接地、屏蔽和其它電路設(shè)計(jì)技巧可以緩解大部分噪聲問(wèn)題。而對(duì)噪聲最敏感的應(yīng)用可能需要進(jìn)一步的降噪方法，如 PWM邊沿濾波器。簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)指導(dǎo)可以確保對(duì)電容性耦合電流的有效管理，幫助你獲得 PWM 伺服放大器的全部好處。

　　PWM 方案

　　PWM 用一種數(shù)字兼容的雙電平脈沖串對(duì)模擬信號(hào)作編碼。PWM 有各類(lèi)變型，但伺服放大器最常用的是恒定載波頻率型。用于伺服放大器的典型 PWM 載波頻率為 10 kHz ~ 20 kHz。用脈沖寬度的變化對(duì)PWM脈沖串中的模擬信號(hào)信息進(jìn)行編碼。對(duì)于固定頻率的 PWM，設(shè)計(jì)師有時(shí)會(huì)用占空比來(lái)描述脈沖寬度：即脈沖寬度與 PWM 周期之比。

　　在頻率域中，PWM 驅(qū)動(dòng)電壓有兩個(gè)主要頻率成份。首先是基本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)成分，它對(duì)應(yīng)于電機(jī)的速度和電機(jī)極數(shù)。這個(gè)基本成份引起了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的電機(jī)電流。第二個(gè)頻率成份是 PWM 載頻。由于這個(gè)電壓與基本電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率沒(méi)有關(guān)聯(lián)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的 PWM 成份所產(chǎn)生的任何電流都不會(huì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行有任何作用。在這個(gè)頻率下的任何電流都只會(huì)造成電機(jī)的功率損耗。所幸的是，PWM 頻率通常高得足以使在PWM 頻率下的電機(jī)感抗很大。由于電流等于電壓除以阻抗，因此在PWM 頻率下的電流一般都較小。

　　使用 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要原因是要減小尺寸，提高效率。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或功率 MOSFET 可將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)它們工作在開(kāi)關(guān)方式時(shí)效率最高。PWM 信號(hào)在全開(kāi)或全關(guān)這兩個(gè)狀態(tài)間快速轉(zhuǎn)換時(shí)驅(qū)動(dòng) IGBT 或 MOSFET。在線(xiàn)性放大器中，這些器件都工作在其線(xiàn)性區(qū)內(nèi)，因此，驅(qū)動(dòng)放大器的功率損耗和整體尺寸都比較大。

　　電容性耦合

　　當(dāng)晶體管在通和斷狀態(tài)間切換時(shí)，會(huì)通過(guò)它們的線(xiàn)性區(qū)，消耗能量。晶體管切換得越快，消耗的能量就越少，放大器的效率就越高。如果高效率是放大器設(shè)計(jì)的唯一要求，則設(shè)計(jì)目標(biāo)就是盡量加快晶體管的切換速度。但是，通常會(huì)存在一個(gè)折衷?？焖偾袚Q過(guò)程造成的高 dv/dt 會(huì)將噪聲耦合到鄰近電路中。通常，切換越快噪聲越高。因此，放大器設(shè)計(jì)師必須在效率與噪聲水平之間達(dá)到一種平衡。

　　噪聲是通過(guò)電機(jī)電纜的導(dǎo)體與鄰近電路之間的寄生電容耦合的（圖 1）。圖中顯示了一個(gè)常見(jiàn)的伺服電機(jī)應(yīng)用，它有一個(gè)直流電源供電的PWM 伺服放大器，用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)無(wú)刷電機(jī)。放大器從一個(gè)增量編碼器接受位置反饋信息。在本例中，電機(jī)電纜和編碼器電纜都沒(méi)有做屏蔽。

　　放大器 PWM 輸出電壓的 U、V 和 W 相位上的波形是同相的，它們的占空比為 50%。當(dāng)系統(tǒng)處于保持(holding)位置時(shí)，這種同相和占空比條件是典型的，電機(jī)電流和速度都近于零。圖中下半部顯示的是相位 W 輸出上升沿的詳圖。注意，該邊沿有一個(gè)有限的上升時(shí)間，典型的 dv/dt 量級(jí)為 0.5V/ns。在這個(gè)上升沿詳圖下方顯示的是通過(guò)寄生電容耦合到鄰近電路上的噪聲電流圖，由 PWM 上升沿所產(chǎn)生。

　　電機(jī)導(dǎo)體與鄰近導(dǎo)體之間的寄生電容大小依賴(lài)于相鄰導(dǎo)體的尺寸、形狀、方向和接近程度。公式 I="C" dv/dt 可計(jì)算出流過(guò)的噪聲電流量，其中，dv/dt 是 PWM 電壓的變化率，C 是雜散電容值。這個(gè)噪聲電流是否會(huì)造成電路功能問(wèn)題，要看它經(jīng)過(guò)的確切路徑以及鄰近電路的敏感度。

　　噪聲電流會(huì)通過(guò)最小阻抗路徑返回源頭，即放大器。對(duì)于 PWM邊沿所產(chǎn)生的頻率，該路徑通常就是最小感抗的路徑。如果一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有采取任何適當(dāng)?shù)钠帘危瑒t最小阻抗路徑就難以精確限定。噪聲電流可能流經(jīng)附近的導(dǎo)體，如編碼器電纜和其它與放大器共地的電路。當(dāng)這些電流經(jīng)過(guò)編碼器線(xiàn)路時(shí)，在編碼器和放大器線(xiàn)路兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。如果這個(gè)電壓足夠大，則放大器編碼接收器電路就會(huì)錯(cuò)誤地檢測(cè)出信號(hào)，或者屏蔽真正的編碼器轉(zhuǎn)換，于是產(chǎn)生錯(cuò)誤或額外的編碼器計(jì)數(shù)。同樣，這些噪聲電流可以在地——導(dǎo)體間產(chǎn)生電壓降，從而在其它信號(hào)線(xiàn)上造成噪聲。

　　當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)位于保持位置時(shí)，噪聲電流為最大。此時(shí)，所有三個(gè)波形的上升沿與下降沿都同時(shí)發(fā)生。來(lái)自 PWM 沿的電流尖峰會(huì)在同一時(shí)刻、同一點(diǎn)上產(chǎn)生。因此，電容性耦合到外部電路上的凈峰值電流就是 U、V 和 W 相位各個(gè)電流的疊加。另一方面，當(dāng)電機(jī) 處于旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩時(shí)，每個(gè)相位的 PWM 占空比都是變化的，上升沿和下降沿不再重合。此時(shí)，電流尖峰頻率較高，但幅度較低。

　　電容性耦合電流的管理

　　我們可以采用電纜屏蔽和正確的接地技術(shù)降低與電容性耦合 PWM 噪聲相關(guān)的問(wèn)題。接地與屏蔽有兩個(gè)主要目的。首先是強(qiáng)制電容性耦合的電流流入一個(gè)確切的路徑；其次是確保任何沿該路徑產(chǎn)生的噪聲電壓都不會(huì)干擾重要的信號(hào)。電機(jī)電纜屏蔽連接到電機(jī)殼與放大器接地，即建立起一個(gè)受控路徑，電容性耦合的電流從中流過(guò)（圖 2）。屏蔽不會(huì)消除電容，但可以控制它，這樣，耦合效應(yīng)在屏蔽處終結(jié)，而不會(huì)影響外部電路。理想的總體屏蔽要包括所有三根導(dǎo)體，以實(shí)現(xiàn) 100% 覆蓋和對(duì)高頻噪聲電流為零阻抗路徑的屏蔽。零阻抗路徑可確保沿屏蔽沒(méi)有電壓降，整體屏蔽均為高壓共電位。

　　至電機(jī)殼的屏蔽連接終止了電機(jī)繞組與電機(jī)殼之間的電容耦合。于是，電機(jī)殼為電機(jī)繞組提供了全面的屏蔽。另外，電纜屏蔽也為這些電流提供了一條返回放大器公共端的路徑。

　　屏蔽電纜的電容與電機(jī)繞組至外殼的電容的典型值分別為 250 pF和 0.5 nF 量級(jí)。電纜電容是對(duì)鋁箔屏蔽 4 芯 #16 AWG 線(xiàn)的測(cè)量值。如果 PWM 上升沿速率為 0.5V/ns，則全面屏蔽中的峰值電流為 I="Cdv/dt"=(2.5 nF+0.5 nF)0.5V/ns=1.5A。在 PWM 下降沿用同樣的計(jì)算方法，但電流極性要反向。這樣，當(dāng)電機(jī)處在保持位置時(shí)，預(yù)計(jì)電纜屏蔽中流過(guò)的峰值電流可達(dá) 3A p-p。表 1 是推薦的接地與屏蔽方法。

　　邊沿濾波器

　　脫機(jī)供電的放大器從主電源獲取交流電源，并用一個(gè)內(nèi)置整流器為直流總線(xiàn)供電（圖 3）。直流總線(xiàn)的負(fù)端不能用于連接電機(jī)電纜屏蔽，因?yàn)檫@是非隔離式直流供電放大器。在這種拓?fù)渲校偩€(xiàn)電壓一般為100V或比大地電位要低許多，因此將電纜屏蔽連接到這個(gè)電位上會(huì)構(gòu)成安全方面的危險(xiǎn)。

　　非隔離的直流供電放大器的工作電壓取自線(xiàn)路隔離的直流電源。這些電源的負(fù)電壓線(xiàn)通常直接連接到大地。在這種結(jié)構(gòu)中，將電纜屏蔽連接到公共總線(xiàn)是安全、可行、高效的。

　　對(duì)于脫機(jī)供電的放大器，應(yīng)將屏蔽層連接到放大器的機(jī)殼接地。放大器內(nèi)置的高電壓、安全額定值電容可將總線(xiàn)旁路至機(jī)殼接地。這一連接為噪聲電流提供了一條路徑，使之流經(jīng)屏蔽返回其源，即總線(xiàn)。

　　脫機(jī)供電放大器一般比直流供電放大器的工作電壓高，因此，其 PWM 輸出的 dv/dt 也要高于直流供電放大器。此外，由于電纜屏蔽電流先流經(jīng)內(nèi)置電容器，然后才返回放大器的總線(xiàn)，因此電纜屏蔽的效果比直流供電方案的要低。所以，采用脫機(jī)供電放大器的系統(tǒng)中PWM噪聲問(wèn)題也更難以解決。

　　對(duì)于使用脫機(jī)供電放大器的噪聲敏感應(yīng)用，可以采用另外一種削減噪聲工具，即PWM邊沿濾波器。PWM 邊沿濾波器采用無(wú)源元件降低放大器 PWM邊沿的dv/dt（圖 4）。

　　PWM邊沿濾波器串接于放大器和電機(jī)之間，增加PWM邊沿的上升、下降時(shí)間。邊沿濾波器可以減少所有電容性耦合電流的峰值幅度。同樣，邊沿濾波器設(shè)計(jì)的總體效率與濾波器效果之間也存在著一種折衷?？蓪⑸仙?、下降時(shí)間降低一個(gè)以上量級(jí)的濾波器設(shè)計(jì)過(guò)于龐大，功耗也太大。實(shí)際應(yīng)用中更加有效的是一種能中度減少上升、下降時(shí)間的邊沿濾波器。圖中的實(shí)例是一個(gè)實(shí)際邊沿濾波器的效果，其中dv/dt從0.5降低至小于0.2V/ns。噪聲電流也以相同因數(shù)降低：I=Cdv/dt=(2.5 nF+0.5 nF)×0.2V/ns=0.6A。

　　為使邊沿濾波器效果最大化，應(yīng)盡量將其靠近放大器放置。對(duì)邊沿濾波器與放大器之間連接的電纜作屏蔽，并使之盡量短。保持邊沿濾波器與電機(jī)之間電纜的屏蔽，并確保每個(gè)屏蔽電纜段之間的連續(xù)性。