家用空調(diào)直流變頻控制器的抗干擾設(shè)計(jì)

鄭高輝 高利輝（浙江帥康電氣股份有限公司 浙江余姚 315491）

1 引言

在家用電器產(chǎn)品中，變頻空調(diào)器應(yīng)該算是其中工作環(huán)境和電磁環(huán)境比較惡劣的一類產(chǎn)品了，家用空調(diào)的可靠性除了采取好的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量管理來降低產(chǎn)品不良率外，設(shè)計(jì)可靠性也是不容忽視的一個(gè)方面，好的可靠性設(shè)計(jì)在一定程度上可以降低生產(chǎn)可靠性要求的難度，降低成品不良率，可靠性設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的方面體現(xiàn)為產(chǎn)品的抗干擾設(shè)計(jì)，尤其是在較壞的電磁環(huán)境下的抗干擾設(shè)計(jì)。

2 干擾源分析

直流變頻空調(diào)因其節(jié)能、環(huán)保而日益普及，其變頻壓縮機(jī)一般由6個(gè)大功率IGBT管子的按特定的時(shí)序切換，產(chǎn)生特定頻率的正弦電流波使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)輸入功率通常在1kW左右（如日立ZS1216D1直流變頻壓縮機(jī)），負(fù)載狀態(tài)下IGBT工作在大電流和高電壓的狀態(tài)。在IGBT 開和關(guān)的狀態(tài)下，根據(jù)公式：V=Lm×(di/dt),會(huì)產(chǎn)生感生電壓和電流，此感生電壓和電流具有很大的輻射功率頻譜帶，通過空間和電氣傳輸線竄入邏輯控制部件，使控制部件產(chǎn)生失效失控風(fēng)險(xiǎn)。除了干擾自身外，它還可以干擾鄰近設(shè)備，例如可以使其他家用電器的電容感應(yīng)觸摸鍵反應(yīng)遲鈍或失靈。

除了自身產(chǎn)生高頻干擾外，外部設(shè)備也可通過電力線傳導(dǎo)和空間輻射對(duì)其產(chǎn)生效果相同的干擾，降低產(chǎn)品的工作可靠性，所以抗干擾設(shè)計(jì)除了降低自身的干擾產(chǎn)生水平外，還要提高抗擊外界干擾的能力。

3 控制器抗干擾措施

3.1 選擇合適的微控制器

設(shè)計(jì)直流室外控制器的第一步是要選擇合適的單片機(jī)，在滿足控制功能的同時(shí)，芯片本身的抗干擾能力也是必須要考慮的重要因素。單片機(jī)由于數(shù)據(jù)、地址、控制全部封閉在片內(nèi)，因而對(duì)外部干擾的敏感度進(jìn)一步降低，穩(wěn)定性更好。在變頻室外控制板設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選用這類單片機(jī)。例如MOTOROLA的MC68HC908-MR16，它具有專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，抗干擾能力也強(qiáng)。

3.2 印制板設(shè)計(jì)、布線及接地原則

印制板走線設(shè)計(jì)、布線及地線對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能有不可忽視的影響。有時(shí)盡管原理電路正確無誤，但僅因?yàn)槭怯≈瓢逶O(shè)計(jì)、布線及接地不妥，就可能使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，無法正常工作。在PCB板圖設(shè)計(jì)中，要遵循以下幾點(diǎn)。

3.2.1 印制板大小要適中

合理分布元件在版圖中的熱量散發(fā)密度；合理分配元件在板上的重量，不要使局部產(chǎn)生大的負(fù)重應(yīng)力。

3.2.2 合理排布元器件

板圖排布要以IC為中心，離散器件外圍環(huán)布，形成區(qū)域功能電路；各個(gè)區(qū)域功能電路要在PCB版圖中分開放置：首先強(qiáng)電和弱電要?jiǎng)澐謪^(qū)域，數(shù)字電路和模擬電路要?jiǎng)澐謪^(qū)域，高頻信號(hào)和易受干擾的電路劃分區(qū)域，分開排布。

3.2.3 進(jìn)行可靠地電源完整性和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

地線是信號(hào)傳輸線的返回路徑，返回路徑最好是一個(gè)完整的平面，這樣可以提供信號(hào)的低阻抗返回路徑，如果返回路徑被分割，信號(hào)會(huì)在分割處產(chǎn)生地彈，將產(chǎn)生干擾波，進(jìn)而產(chǎn)生電磁兼容問題。所以在制造成本允許的條件下盡可能使用雙面板或者多面板，建立完整的電源平面和地平面，為邏輯器件提供低阻抗的電源路徑和信號(hào)路徑。

3.2.4 為器件提供退耦通路

為了減小電源分布系統(tǒng)中的的電壓軌道塌陷，就要在電源盒地平面之間增加多個(gè)去耦電容，在一定時(shí)間δt內(nèi)，電容C可以阻止電源的下降，公式為：

δt=C×0.05×V2/P

δt—電壓下降量達(dá)到電源電壓5%的時(shí)間,單位s；

C—退耦電容量，單位F；

P—芯片平均功耗,單位W；

V—電源電壓,單位V。

由此公式可以知道在邏輯IC電源引腳、參考電源引腳附近要加入1nF和10nF的退耦電容，越靠近引腳越好。

3.2.5 單獨(dú)考慮高電壓線和大電流線路

高電壓線和大電流線路對(duì)其他線路容易形成干擾，需要單獨(dú)考慮。我們?cè)诓季€時(shí)應(yīng)該盡量使它們遠(yuǎn)離低壓邏輯電路和模擬電路，輸入端交流電路和整流后的直流電路分開，電路之間的連線盡量短。

3.2.6 在電源的入線處增加電源濾波器

電源濾波器可以在外部干擾和內(nèi)部干擾之間建立隔離屏障，可以避免控制器內(nèi)部產(chǎn)生的干擾輻射出去干擾外部設(shè)備，同時(shí)如果有外部干擾源，也可以防止干擾直流變頻控制器。

3.3 直流變頻控制板較為合理的PCB板圖排布方式

下面舉例闡述直流變頻控制板較為合理的PCB板圖排布方式，如圖1所示。其中大電解C1兩端是全橋整流后的直流300V高電壓，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)（BLDC）的大電流如虛線所示，而室外機(jī)控制板全部是低電壓小電流，布線的原則是驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)大電流構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的回路，不要經(jīng)過控制板。

控制電路接地點(diǎn)的確定：一般為了提高控制板的抗干擾能力，基本上采用浮地結(jié)構(gòu)，也就是控制板地線完全獨(dú)立。但是在我們直流變頻控制板的設(shè)計(jì)中，是采用了共地設(shè)計(jì)，功率地（Power Ground）和信號(hào)地（Signal Ground）是互相連接的。采用共地結(jié)構(gòu)主要是為了降低產(chǎn)品硬件成本，控制板要有電壓檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)（下面詳細(xì)介紹）功能，我們采用一點(diǎn)接地的方式，有效地避免了大電流對(duì)CPU的干擾。

3.4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的硬件和軟件抗干擾實(shí)施

為使BLDC電機(jī)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，必須要有精確的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路作保證，控制軟件根據(jù)位置信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的切換，如果提前、滯后切換都將使驅(qū)動(dòng)效率明顯下降，嚴(yán)重時(shí)甚至堵轉(zhuǎn)。

室外機(jī)控制板轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路如圖2所示。

BLDC電機(jī)端電壓經(jīng)過位置檢測(cè)電路運(yùn)算以后，得到A、B、C三路三角波電壓信號(hào)，D點(diǎn)電壓作為LM339的參考比較電壓，經(jīng)過LM339電壓比較器比較后得到a、b、c三路方波電壓，CPU根據(jù)a、b、c三路方波信號(hào)的上升、下降沿口，依次在（0、1、2……11……）點(diǎn)改變6個(gè)PWM的輸出口的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。正確的電壓波形如圖3所示，每一步的時(shí)間間隔完全一致（占空比50%），這樣驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的瞬時(shí)速度也能夠一致。

在沒有干擾的情況下圖2中D點(diǎn)的電壓波形是交流三角波（Vpp0.2V以下），A、B、C三點(diǎn)的電壓信號(hào)也是交流三角波（Vpp0.4V以下）。但在測(cè)量A、B、C三點(diǎn)的電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)分別疊加了0.05V～0.2V的直流電壓，而在LM339比較器的參考的D點(diǎn)沒有疊加此直流電壓。由于比較器參考電壓的漂移，從而使得三路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)發(fā)生偏移。

硬件解決方法：我們分別在LM339的工作電源-5V、+12V加強(qiáng)濾波后，干擾信號(hào)就消除了，證明是由于比較器LM339的工作電源的波動(dòng)引起了輸入端的干擾電壓。

3.5 位置信號(hào)軟件濾波

BLDC電機(jī)的三路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)在每路信號(hào)的沿口毛刺是不可避免的，如圖4所示。

因?yàn)楸容^器LM339在比較電壓過零點(diǎn)時(shí)對(duì)干擾信號(hào)特別敏感，而在實(shí)際使用中控制板也不可能沒有一點(diǎn)輕微干擾，所以對(duì)于上述沿口的毛刺干擾，不能完全依靠改進(jìn)硬件電路來抗干擾，而應(yīng)該用軟件濾波的辦法。

分析BLDC電機(jī)位置信號(hào)特點(diǎn)，我們采用下述措施：

1）a、b、c三路信號(hào)是嚴(yán)格按照時(shí)序產(chǎn)生，對(duì)于不按照時(shí)序的信號(hào)可以不用。

2）根據(jù)當(dāng)時(shí)BLDC電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算出每次位置信號(hào)的間隔時(shí)間，對(duì)于超出一定誤差范圍的信號(hào)可以作為毛刺處理。（實(shí)際情況是位置信號(hào)提前）。

采用軟件濾波技術(shù)處理后，BLDC電機(jī)可以穩(wěn)定、可靠地高速運(yùn)轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速在7000rpm以上）。

3.6 軟件抗干擾技術(shù)

3.6.1 軟件攔截技術(shù)

當(dāng)控制板受到外界的嚴(yán)重干擾時(shí)，有可能導(dǎo)致程序跑飛，軟件攔截可以有效處理此類情況。軟件攔截的目的是將跑飛的程序引向制定位置，然后通過錯(cuò)誤處理程序有效處理此類狀況。通過在未使用的程序空間放置復(fù)位指令或跳轉(zhuǎn)指令可以將由于跑飛跳落到此區(qū)間的程序引入到復(fù)位位置，執(zhí)行復(fù)位程序，使程序步入正軌。

對(duì)于未使用的中斷向量，為了防止未中斷被異常打開，可以在程序中安排未使用中斷向量的中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中放置兩個(gè)NOP指令，然后返回，防止程序錯(cuò)誤執(zhí)行到非法位置。

3.6.2 軟件“看門狗”技術(shù)

失控程序進(jìn)入“死循環(huán)”，可以由硬件看門狗使程序脫離“死循環(huán)”。通過在程序的合理位置放置復(fù)位看門狗指令，可以在程序進(jìn)入“死循環(huán)”后引發(fā)看門狗復(fù)位事件，使程序重新從復(fù)位程序開始執(zhí)行。

3.6.3 復(fù)位程序流程圖

上面的軟件處理技術(shù)，都將程序引入到復(fù)位程序，這樣在復(fù)位程序的處理上有必要區(qū)分不同的復(fù)位事件和正確處理當(dāng)前的硬件狀態(tài)和軟件狀態(tài)，復(fù)位的程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

綜上所述，一個(gè)控制系統(tǒng)中會(huì)有多種干擾源，只有對(duì)癥下藥才能有效克服干擾。

［1］ 《電子設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)》雷振烈編，天津科學(xué)技術(shù)出版社1985-06

［2］ 《通用變頻器及應(yīng)用》韓安榮主編，機(jī)械工業(yè)出版社2000-01

［3］ 《電磁兼容原理》（美）B.E.凱瑟著，肖華庭、諸昌清、雷有華、冀晉等譯，電子工業(yè)出版社1985-03

［4］ 《信號(hào)完整性分析》（美）Eric Bogatin著，李玉山、李麗平等譯，電子工業(yè)出版社2010-01

［5］ MC68HC908MR16/MC68HC908MR32-Rev.5.0 Advance Information Motorla,Inc.,2001