PG电机在EFT测试时的抗干扰控制

摘要:一般PG电机基本采用PWM过零调节技术来实现速度控制,在EFT干扰下,通过改善过零控制和反馈控制来抑止EFT干扰引起的电机转速波动和电机本体振动。

Abstract: PG-motor is used to set PWM by zero-crossing detection to realize controlling of the speed.In EFT test,By improving zero-crossing detection and speed feedback detection,PG-motor can run stable with no dithering .

关键词:PG-电机;EFT;抗干扰;PWM

Key words: PG-motor;EFT;anti-jamming;pulse width modulation

中图分类号:TM30 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0207-02

0引言

交流PG(带脉冲输出)电机的应用极为广泛。转速误差一般控制在 10-15rpm。而且要求电机工作时平稳没有异常噪声。但是在有干扰的情况下,电机的转速会有很大的波动,特别在EFT测试模式下,转速波动和电机本体抖动更为明显,本文介绍一种方法,用于解决电机在EFT干扰下能够比较平稳运行的抗干扰方案。

1PG电机基本控制原理

单片机通过过零检测获取计时基准,比较当前转速反馈与目标反馈,采用脉宽调制PWM方式控制三端双向可控硅开关器件的导通相位角及导通时间,实现交流PG电机的平稳调速。

如图1,MCU调速方案一般采用三个I/O口,其中PTA5(27)为过零信号检测、PTA4(23)为转速反馈信号、PTD5(25)为PG电机驱动(该口为PWM口)。对于220V、50Hz交流电,每10ms过一次零点,设置单片机定时中断频率为8K,同时以此中断为时钟和采样基准。通过变压器输入的信号经全波整流后,当输入电压大于0.7V,三极管Q1导通,从而使单片机的PTA5(27)引脚为低电平;一旦输入电压低于0.7V,三极管Q1截止,PTA5引脚为高电平,此时单片机就可以采样到过零信号(过零信号波形图见图2)。单片机采样到过零信号后开始计时,同时比较上次转速反馈计数与目标转速反馈计数,从而确定本次脉宽调制的增减。PWM信号由PTD5(25)输出,经反向放大器U2003后送入光藕U2,从而控制TRIAC(三端双向可控硅)的导通相位角及导通时间,以达到控制PG电机的目的。三端双向可控硅的控制:经变压器输入的信号经全波整流后,每周期有两次过零点(见图2),PTA5(27)引脚检测过零信号,过零信号的脉宽可以通过改变R1的阻值来调整。该设计中一般只要保证过零脉宽小于1ms就能满足要求。单片机采样到过零信号后开始计数,同时比较上次转速反馈计数与目标转速反馈计数。

2转速反馈及霍尔传感器原理

霍尔传感器是通过磁场效应来感应,经过触发后产生脉冲,如N极经过时给出一个高电平,S极经过时给一个低电平,装上霍尔传感器的电机,转子转动时,在理想情况下输出了一个占空比近50%的方波。其输入和输出电路与强电完全隔离,因此我们的PG反馈电路可能做的有些复杂,可以改得简单一点。

这是比较好的应用方案。我们来逐个分析各元件的作用和选择。

C1:电源滤波电容;

R1:限流电阻,防静电、抗干扰作用。选择在47-100Ω。

曾有厂家出现霍尔IC损坏多的现象,他们已经做了工厂静电措施。后来增加限流电阻R1后,这种现象很少发生了。

RL:上拉电阻。

对于这个电阻的选择,要明白它的负载需要它提供多少电流,现在大家都在降成本,把光耦可控硅MC3031替代成一个三极管。这是要求使三极管迅速进入饱和状态,又能快速退出饱和状态,但不能让它进入放大状态或深度饱和状态。再往后,一些厂家干脆在+5V电源下,把这三极管也去掉了,经过一个限流电阻直接到MCU,此处电阻一般就用10K。

3EFT工作机理及对PG电机的影响

EFT:Electrical fast transient即电快速瞬变,EFT脉冲干扰导致设备失效的机理:根据国外学者对脉冲群干扰造成设备失效的机理的研究,单个脉冲的能量较小,不会对设备造成故障。但脉冲群干扰信号对设备线路结电容充电,当上面的能量积累到一定程度之后,就可能引起线路(乃至系统)的误动作。

因此,线路出错会有个时间过程,而且会有一定偶然性(不能保证间隔多少时间,线路一定出错,特别是当试验电压达到临界点附近时)。而且很难判断究竟是分别施加脉冲,还是一起施加脉冲,设备更容易失效。也很难下结论设备对于正向脉冲和负向脉冲哪个更为敏感。

首先我们先分析一下干扰的注入方式:EFT干扰信号是通过耦合去耦网络中的33nF的电容耦合到主电源线上面(而信号或控制电缆是通过电容耦合夹施加干扰,等效电容是100pF)。对于33nF的电容,它的截止频率为100k,也就是100kHz以上的干扰信号可以通过;而100pF的电容,截止频率为30m,仅允许30MHz频率以上的干扰通过。电快速脉冲的干扰波形为5ns/50ns,重复频率5k,脉冲持续时间15ms,脉冲群重复周期300ms。根据傅立叶变换,它的频谱是从5k-100m的离散谱线,每根谱线的距离是脉冲的重复频率。

在EFT测试时,PG电机运行过程中,用手握住电机外壳,往往能感应到电机有比较明显的抖动。同时转速会有明显的下降。用示波器测试发现,在EFT干扰下,MCU的两个输入引脚:即霍尔传感器的输出和过零检测的输出均有很多尖峰干扰存在,PG电机输出的电压波形也出现露波情况。

基于以上分析,EFT实验过程中,过零信号和PG反馈信号被EFT设备产生的周期性脉冲群(脉冲群个数:75、脉冲群周期:300ms、脉冲频率:5kHz)严重干扰,程序会在理论计算外的地方进入过零中断和进行反馈速度计算,对过零输出而言,将直接导致触发固态继电器的脉冲丢失,见图4中示波器捕捉的固态继电器输出给PG电机的电压波形,可发现明显的漏波现象。同时对反馈速度计算而言,程序也误将干扰信号当作是一次霍尔器件的反馈信号,从而导致程序根据反馈时间间隔计数后得到的反馈速度比电机实际运行速度严重偏高。所以表现为转速下降。

4控制改进方案及分析

根据上述分析,要解决电机在EFT情况下抖动和转速下降的的方法就是要解决检测的输入信号不要扰问题。用示波器测试可以发现输入的过零信号和反馈信号存在很多毛刺,如果能够消除这些毛刺对程序的干扰,就可以解决电机在EFT测试时的异常运行情况。

在硬件排版上在最靠近MCU芯片输入引脚上串连RC滤波,经过低通滤波后可以抑止部分高频的干扰信号,但是受LAYOUT空间限制,硬件改善往往还是不够理想,这里不作详细描述。现在提供一种采用软件滤波的方式对干扰信号进行过滤,来达抗干扰电机稳定运行的效果。

程序使用到的中断:

①过零中断。

②PG速度反馈中断。

③过零延时时间到中断。

软件滤波:

①PG反馈中断:下降沿中断并记下当时时间值,设置有反馈标志,清除1.5ms计数器。

②250us定时:1.5ms计数器连续计数。

③主循环:当有反馈标志,并且反馈口为低电平,且1.5ms定时到,则认为该反馈有效。将反馈中断里的时间值装入反馈速度计算器,计算反馈速度。然后进行斩波调节。

④两个反馈下降沿宽度小于10ms,则清除反馈标志,清除1.5ms计数器,不进行斩波调节。

⑤速度超过2000转时不进行斩波调节。

⑥在进入过零上升沿中断后增加10个NOP指令,同时在第5个、10个NOP时,判断此刻的过零检测I/O口电平,连续两次检测到高电平才进入过零中断,否则程序认为是干扰信号,退出过零中断。

应用时需要注意地方:

①主循环检测有反馈标志,且反馈口为高电平时,则清除反馈标志,清除1.5ms计数器,不进行斩波调节。

②存在着这样的可能:当主循环到来时不满1.5ms条件,则必须等到下一个主循环。而主循环的时间长度有些变化,在有外部中断(如遥控信号等)干扰时,会超过5ms,那么对于高速时存在6、7ms后PG反馈的确已经是高电平的情况,这时会出现滤掉有效反馈的情况,导致计算的转速偏低,实际转速升高的情况。因此,1.5ms延时大家可以自行斟酌调整。

③鉴于速度反馈计算部分程序较长,且会多次用到反馈中断里的时间值,因此,为避免反馈中断的时间值变量在速度计算过程中会刷新,而产生错误的速度计算,建议在主循环里只存入一次反馈中断的时间值变量。

5结语

经过上述改进后,在EFT干扰测试时,电机异常现象明显减轻,只是转速波动范围比正常时略有偏大,效果符合预期。

参考文献:

[1]肖灿.利用脉宽调制实现PG电机的平稳调速[Z].