文档介绍：C型车模电机电快速脉冲群抑制方法
An EFT Suppression Method
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郁程燝,张恩徐,曹楠(南京师范大学,智能车电磁组)
联系方式:luckner@
摘要:本设计以“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛为背景,提出一种C型车模电机EFT干扰噪声的抑制方法。本文分析了干扰噪声的特征和危害,使用EFT滤波器结合传导耦合路径的处理,有效地抑制了干扰噪声。实践证明该方法有效减少EFT干扰对系统的影响,提高系统的稳定性。
关键词:智能汽车;C型车模电机;EFT;噪声抑制;
在电磁组的竞赛中,C型车模使用的电机产生的EFT(Electrical Fast Transient)干扰噪声会通过电源线、地线以传导等途径耦合到系统中的传感器、电源管理等功能模块,会在一定程度上造成系统的不稳定,例如:单片机复位、传感器输出异常等。本文分析了EFT的机理模型,并提出了一种抑制方法,有效地解决了EFT干扰噪声对系统中相关功能模块的影响,提高了系统的稳定性。
II. 干扰噪声分析
电快速脉冲群(EFT)的全称是电快速瞬变脉冲群,其特点是感性负载断开/接通时,由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因,在开关处产生一连串的暂态脉冲(脉冲群)骚扰。当电感性负载多次重复开关时,脉冲群会以相应的时间间隙多次重复出现,如下图1所示。
图1:电快速脉冲群的典型波形
图2为单个电快速脉冲的典型波形,可用双指数函数描述其特点:
其中:Ueft为输出电压;t 为时间;UP为开路电压的峰值;λ为波形系数;t1、t2分别为与EFT波形的上升和下降速度有关的时间常数。
图2:单个电快速脉冲的典型波形
当电机运行时,单片机有时会工作不稳定,在为单片机供电的TPS7333稳压电路输出处(图3监测点1),(图4)。
图3:电路原理图
(如图5),可以看出单个的干扰脉冲的上升沿时间达到了纳秒级别,其保持时间接近50ns。经过观测与计算,其重复频率约为10kHz,与电机频率相同。电机关闭,监测点1处叠加的噪声电压消失, 直流电压。由此可以得出结论:电机产生的干扰噪声影响了稳压电路的输出。
图4:电机工作时受到干图5:干扰噪声信号放大
扰的监测点1输出
电机负载和调速时,在稳压电路的输入端(图3监测点2),测得如图6的结果。由图知,电机的干扰影响到稳压电路的输入,进而影响到其稳压输出。
图6:电机负载(左)及调速(右)时监测点2输出
结合上述分析,将由感性负载电机产生的噪声电压与标准对比,加之电机可视为感性负载,所以干扰信号为低电压等级的电快速脉冲群干扰噪声。该噪声电压将影响其他模块供电稳定性,进而可能造成系统的不稳定性,亟需对该噪声电压进行抑制。
III. 干扰噪声抑制方法
干扰噪声主要是通过电源线和公共地线的传导耦合来影响TPS7333稳压电路,所以整改措施主要从两个方面予以解决:
1、电机的两端采用EFT滤波器:
EFT滤波器采用的是2个104标称的校正电容,分别焊接在通路1和通路2(图7)。需要注意的是,每个电容的一个引脚分别与电机的两个接线端子焊接,尽可能的靠近噪声产生的源头;另一引脚均接到直流电机的金属外壳上,并将电机外壳安全可靠接地。另外,电机外壳接地的位置应当远离稳压电路等功能模块,倘若处理不当可能会引起不必要的噪声干扰。采用校正电容的原因是其精度较高,等效串联电阻较小,可以将电路的非线性影响降到最低。整改原理图和实物图如图7。
图7:整改原理图(左)及实物图(右)
2、传导耦合途径的处理:
EFT干扰噪声通常由电源线或信号线传入模块,可在每个模块的稳压供电芯片的输入端加入电容或特定频段的磁珠将通过电源线传导耦合来的干扰噪声滤掉。
另外,EFT噪声还会通过PCB的公共地线干扰其
他模块。电流变化极快是EFT干扰噪声特点之一,且
公共地线存在着阻抗, 所以会在公共地线上引起电位差。鉴于以上原因,电机驱动的地线应使用单点接地,可以在一定程度上有效的减少共地阻抗引起的电位差。在PCB板中,地线使用双面覆铜工艺,可有效减少共地耦合阻抗;同时要注意覆铜的连续性与完整性。注意,在无高频信号情况下,不宜使用网格状覆铜工艺。
IV. 整改效果
使用上述干扰噪声抑制的方法, 再次在电机工作时,对监测点1、2进行观测,实验结果如图8、9所示。
图8:整改后的电机负载及调速时监测点1输出
图9:整改后的电机负载及调速时监测点2输出
将整改前后的EFT干扰噪声进行比较,结果如表1所示。整改方法在监测点2处抑制了大约60%的噪声,加上稳压芯片的稳