PWM脈寬調制驅動器應用于超聲無損檢測技術中的噪聲研究

秦華容　王俊濤　羅玉文

【摘 要】在超聲無損檢測系統中，PWM脈寬驅動器工作時會對超聲檢測信號產生強烈的電磁干擾，本文作者基于自主研發的兩軸超聲自動掃查裝置，進行了大量實驗，最終設計出一種LCL濾波器可以有效降低PWM脈寬驅動器噪聲工作時對超聲信號產生的電磁干擾，并在實際工作中得到應用，為超聲無損檢測系統中驅動器的選型提供了依據。

【關鍵詞】超聲檢測設備；PWM脈寬驅動器；LCL濾波器

隨著微電子學和計算機技術的發展及電氣自動化水平的不斷提高，自動超聲無損檢測系統應運而生。它將自動化設備和超聲無損探傷設備完美結合在一起，實現了大面積的超聲自動掃查，提高了檢測數據的準確性和可靠性，得到的數字圖像能夠更加直觀地對缺陷進行識別和判斷[1]。

1 超聲檢測系統噪聲來源

自動超聲檢測系統工作過程中，超聲信號極易受到各種噪聲的干擾，這些噪聲主要為聲學噪聲（即材料的結構噪聲）和非聲學噪聲。以下主要研究檢測系統中由PWM脈寬調制驅動器產生的噪聲和有效解決辦法。

PWM脈寬調制驅動器以其高效、高智能化、小體積等優點，目前已經廣泛應用于各種超聲自動化檢測設備中，其中PWM脈寬調制驅動器就是系統的一個很強的干擾源，脈寬調制型驅動器通過調節電能的脈沖寬度來實現電壓或者電流的控制，而脈沖寬度的調節是通過晶體管的高速開通和關斷來實現[2]。在晶體管開通和關斷過程中，流經晶體管的電流產生了以開關頻率為基頻的高頻噪聲，其頻率范圍從20K至30M之間，這些電磁噪聲嚴重干擾著超聲檢測系統，使得檢測效率大大降低。

為了得到準確可靠的檢測結果，必須對脈寬驅動器產生的高頻噪聲采取相應的抑制措施。首先可以通過硬件的方法來消除或抑制干擾，如屏蔽、接地、隔離等，但采用這些抑制措施后，采集到的超聲信號中仍有一些高頻噪聲，需要通過設計濾波器的方法進行處理。

2 濾波器設計

2.1 濾波器介紹

針對脈寬調制型驅動器產生的電磁噪聲，可選用無源濾波器來降低噪聲。無源濾波器可分為3種：L型、LC型、LCL型，3種濾波器各有特點。L型濾波器簡單易用，穩定性高，效果一般，對于一般的工業場合都滿足要求，但只能對電流濾波，電壓的噪聲依然存在；LC型濾波器簡單易用，穩定性好，效果明顯，對電流和電壓噪聲都有一定的效果；LCL較為復雜，對于特定的電機和驅動器需要合理計算和設計，否則會影響控制系統的穩定性，但對電流和電壓噪聲有明顯的抑制效果。在分析PWM脈寬驅動器工作時產生的電磁干擾時，主要從共模和差模噪聲的角度來分析，并針對驅動器產生的共模和差模噪聲，設計了LCL濾波器，實驗證明該濾波器有效降低了PWM驅動器工作時產生的電磁噪聲，同時對其他噪聲也有一定的抑制作用。

2.2 濾波器參數設計[3]

3 實驗過程和結果分析

3.1 兩軸超聲自動掃查平臺介紹

本文作者基于自行開發的一套兩軸超聲自動掃查裝置，分別采用特定型號的PWM脈寬調制驅動器和無刷電機進行試驗，在采用硬件方法對大部分系統干擾進行有效抑制后，通過在驅動器輸出和電機之間設計一種LCL濾波器的方法，有效抑制了檢測信號中的高頻電磁干擾產生的差模和共模噪聲。

試驗采用一個軸控制器（基于EtherCAT通訊協議），兩個基于EtherCAT工業總線的PWM脈寬調制驅動器1，2，兩個直流無刷電機1，2，功率分別為100W，DC24V和DC48V電源，搭建了一個通用的兩軸自動掃查平臺，其原理框圖如圖2所示。電源給控制器和驅動器提供電源，控制器作為整個平臺的“管理者”，通過EtherCAT工業總線串行級聯的方式管理兩個脈寬驅動器工作。控制計算機中控制軟件發指令給控制器，控制器接收到指令后發指令給驅動器，驅動器接收到后再驅動電機帶動機械裝置運動，從而攜帶超聲探頭進行掃查（機械裝置作為超聲探頭的載體），超聲儀接收到超聲信號后，通過和采集分析計算機的實時通訊，來實現超聲采集和信號分析，同時電機上的編碼器信號一路反饋到驅動器，另一路反饋到超聲儀，從而實現控制和超聲檢查位置的同步，最終實現超聲自動探傷。

3.2 差模噪聲抑制效果

基于前面介紹的兩軸通用超聲自動掃查平臺，在驅動器輸出和電機之間增加了作者設計的LCL無源濾波器，用示波器檢測驅動器輸出產生的差模噪聲抑制波形，如下圖所示：

如圖3中a，b，c所示，藍色波形為驅動器輸出的有用信號，而黃色波形為驅動器產生的疊加在有用信號上的噪聲信號，驅動器輸出噪聲對比：

1）圖3（a）（b）幅值分辨率50V/div，時間分辨率5ms/div，

2）圖3（c）幅值分辨率1V/div，時間分辨率2.5ms/div，

3）圖3（d）幅值分辨率0.5V/div，時間分辨率為250ns/div，

圖（a）為未加濾波器驅動器輸出噪聲，圖（b）為加入設計的LCL濾波器后驅動器的輸出噪聲，圖（d）為圖（b）在幅值和時間分辨率增大后的更清晰的波形。測量可知圖（a）中未加濾波器輸出波形的高頻諧波幅值大于400V，圖（d）中加入LCL濾波器后的高頻諧波幅值為4V，頻率為30MHz，噪聲抑制比為20lg100=40dB。

3.3 共模噪聲抑制效果

在驅動器輸出增加LCL濾波器后，用示波器檢測對驅動器輸出產生的共模噪聲抑制波形如下圖所示：

幅值分辨率50V/div，時間分辨率5ms/div，從圖中可以看出，除了電源220V載波，還疊加了一個頻率為16KHZ（驅動器調制頻率）幅值為400V的高頻噪聲，即為驅動器產生共模噪聲，增加LCL濾波器濾波后，220V電源信號無影響，對高頻噪聲抑制明顯，實驗結果表明，共模噪聲抑制比為32dB。

3.4 濾波器對超聲檢測系統中噪聲抑制效果

基于前面介紹的兩軸通用自動掃查裝置，超聲探頭將信號送給超聲儀，最終在圖1中的超聲采集分析計算機中對信號進行分析，目前，我們采用ZETEC公司的專用超聲分析軟件，在所有參數設置一致的前提下，如圖6所示，藍色波形為噪聲信號，紅色波形為噪聲信號的包絡，未加LCL濾波器時，圖（a）中噪聲信號最高幅值高達75%；增加LCL濾波器后，圖（b）中噪聲信號最高幅值降為40%。實驗表明增加LCL濾波器后，對驅動器在超聲信號上產生的高頻干擾有明顯的抑制效果。

4 總結

通過上述大量實驗，結果表明PWM脈寬調制型驅動器工作時產生的噪聲來源于脈沖波形過沖過程中振蕩產生，與開關調制頻率無關，噪聲的大小取決于振蕩波的幅值、屏蔽和接地的良好程度，以及隔離效果。通過屏蔽，接地及在驅動器輸出和電機之間增加LCL濾波器可以很好的抑制噪聲效果，為PWM脈寬驅動器在超聲自動檢測系統中應用提供了依據。

【參考文獻】

[1]羅婕，等.自動超聲檢測系統中的電機干擾研究[J].無損檢測，2006，29（3）：135.

[2]秦繼榮，等.現代直流伺服控制技術及其系統設計[M].北京：機械工業出版社，1993.

[3]敖榮慶，等.伺服系統[M].北京：航空工業出版社，2006.

[責任編輯：王偉平]