PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于超聲無損檢測(cè)技術(shù)中的噪聲研究

秦華容　王俊濤　羅玉文

【摘 要】在超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)中，PWM脈寬驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，本文作者基于自主研發(fā)的兩軸超聲自動(dòng)掃查裝置，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出一種LCL濾波器可以有效降低PWM脈寬驅(qū)動(dòng)器噪聲工作時(shí)對(duì)超聲信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾，并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用，為超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)器的選型提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】超聲檢測(cè)設(shè)備；PWM脈寬驅(qū)動(dòng)器；LCL濾波器

隨著微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及電氣自動(dòng)化水平的不斷提高，自動(dòng)超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它將自動(dòng)化設(shè)備和超聲無損探傷設(shè)備完美結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了大面積的超聲自動(dòng)掃查，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，得到的數(shù)字圖像能夠更加直觀地對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別和判斷[1]。

1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)噪聲來源

自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作過程中，超聲信號(hào)極易受到各種噪聲的干擾，這些噪聲主要為聲學(xué)噪聲（即材料的結(jié)構(gòu)噪聲）和非聲學(xué)噪聲。以下主要研究檢測(cè)系統(tǒng)中由PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的噪聲和有效解決辦法。

PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器以其高效、高智能化、小體積等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種超聲自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中，其中PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器就是系統(tǒng)的一個(gè)很強(qiáng)的干擾源，脈寬調(diào)制型驅(qū)動(dòng)器通過調(diào)節(jié)電能的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)電壓或者電流的控制，而脈沖寬度的調(diào)節(jié)是通過晶體管的高速開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)[2]。在晶體管開通和關(guān)斷過程中，流經(jīng)晶體管的電流產(chǎn)生了以開關(guān)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(yán)重干擾著超聲檢測(cè)系統(tǒng)，使得檢測(cè)效率大大降低。

為了得到準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)結(jié)果，必須對(duì)脈寬驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的高頻噪聲采取相應(yīng)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(hào)中仍有一些高頻噪聲，需要通過設(shè)計(jì)濾波器的方法進(jìn)行處理。

2 濾波器設(shè)計(jì)

2.1 濾波器介紹

針對(duì)脈寬調(diào)制型驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)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(diǎn)。L型濾波器簡(jiǎn)單易用，穩(wěn)定性高，效果一般，對(duì)于一般的工業(yè)場(chǎng)合都滿足要求，但只能對(duì)電流濾波，電壓的噪聲依然存在；LC型濾波器簡(jiǎn)單易用，穩(wěn)定性好，效果明顯，對(duì)電流和電壓噪聲都有一定的效果；LCL較為復(fù)雜，對(duì)于特定的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器需要合理計(jì)算和設(shè)計(jì)，否則會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但對(duì)電流和電壓噪聲有明顯的抑制效果。在分析PWM脈寬驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾時(shí)，主要從共模和差模噪聲的角度來分析，并針對(duì)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的共模和差模噪聲，設(shè)計(jì)了LCL濾波器，實(shí)驗(yàn)證明該濾波器有效降低了PWM驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲，同時(shí)對(duì)其他噪聲也有一定的抑制作用。

2.2 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)[3]

3 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果分析

3.1 兩軸超聲自動(dòng)掃查平臺(tái)介紹

本文作者基于自行開發(fā)的一套兩軸超聲自動(dòng)掃查裝置，分別采用特定型號(hào)的PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器和無刷電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，在采用硬件方法對(duì)大部分系統(tǒng)干擾進(jìn)行有效抑制后，通過在驅(qū)動(dòng)器輸出和電機(jī)之間設(shè)計(jì)一種LCL濾波器的方法，有效抑制了檢測(cè)信號(hào)中的高頻電磁干擾產(chǎn)生的差模和共模噪聲。

試驗(yàn)采用一個(gè)軸控制器（基于EtherCAT通訊協(xié)議），兩個(gè)基于EtherCAT工業(yè)總線的PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器1，2，兩個(gè)直流無刷電機(jī)1，2，功率分別為100W，DC24V和DC48V電源，搭建了一個(gè)通用的兩軸自動(dòng)掃查平臺(tái)，其原理框圖如圖2所示。電源給控制器和驅(qū)動(dòng)器提供電源，控制器作為整個(gè)平臺(tái)的“管理者”，通過EtherCAT工業(yè)總線串行級(jí)聯(lián)的方式管理兩個(gè)脈寬驅(qū)動(dòng)器工作?？刂朴?jì)算機(jī)中控制軟件發(fā)指令給控制器，控制器接收到指令后發(fā)指令給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器接收到后再驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)，從而攜帶超聲探頭進(jìn)行掃查（機(jī)械裝置作為超聲探頭的載體），超聲儀接收到超聲信號(hào)后，通過和采集分析計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，來實(shí)現(xiàn)超聲采集和信號(hào)分析，同時(shí)電機(jī)上的編碼器信號(hào)一路反饋到驅(qū)動(dòng)器，另一路反饋到超聲儀，從而實(shí)現(xiàn)控制和超聲檢查位置的同步，最終實(shí)現(xiàn)超聲自動(dòng)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(dòng)掃查平臺(tái)，在驅(qū)動(dòng)器輸出和電機(jī)之間增加了作者設(shè)計(jì)的LCL無源濾波器，用示波器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出產(chǎn)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(lán)色波形為驅(qū)動(dòng)器輸出的有用信號(hào)，而黃色波形為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的疊加在有用信號(hào)上的噪聲信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器輸出噪聲對(duì)比：

1）圖3（a）（b）幅值分辨率50V/div，時(shí)間分辨率5ms/div，

2）圖3（c）幅值分辨率1V/div，時(shí)間分辨率2.5ms/div，

3）圖3（d）幅值分辨率0.5V/div，時(shí)間分辨率為250ns/div，

圖（a）為未加濾波器驅(qū)動(dòng)器輸出噪聲，圖（b）為加入設(shè)計(jì)的LCL濾波器后驅(qū)動(dòng)器的輸出噪聲，圖（d）為圖（b）在幅值和時(shí)間分辨率增大后的更清晰的波形。測(cè)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(qū)動(dòng)器輸出增加LCL濾波器后，用示波器檢測(cè)對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出產(chǎn)生的共模噪聲抑制波形如下圖所示：

幅值分辨率50V/div，時(shí)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(gè)頻率為16KHZ（驅(qū)動(dòng)器調(diào)制頻率）幅值為400V的高頻噪聲，即為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生共模噪聲，增加LCL濾波器濾波后，220V電源信號(hào)無影響，對(duì)高頻噪聲抑制明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，共模噪聲抑制比為32dB。

3.4 濾波器對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)中噪聲抑制效果

基于前面介紹的兩軸通用自動(dòng)掃查裝置，超聲探頭將信號(hào)送給超聲儀，最終在圖1中的超聲采集分析計(jì)算機(jī)中對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shù)設(shè)置一致的前提下，如圖6所示，藍(lán)色波形為噪聲信號(hào)，紅色波形為噪聲信號(hào)的包絡(luò)，未加LCL濾波器時(shí)，圖（a）中噪聲信號(hào)最高幅值高達(dá)75%；增加LCL濾波器后，圖（b）中噪聲信號(hào)最高幅值降為40%。實(shí)驗(yàn)表明增加LCL濾波器后，對(duì)驅(qū)動(dòng)器在超聲信號(hào)上產(chǎn)生的高頻干擾有明顯的抑制效果。

4 總結(jié)

通過上述大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明PWM脈寬調(diào)制型驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲來源于脈沖波形過沖過程中振蕩產(chǎn)生，與開關(guān)調(diào)制頻率無關(guān)，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(qū)動(dòng)器輸出和電機(jī)之間增加LCL濾波器可以很好的抑制噪聲效果，為PWM脈寬驅(qū)動(dòng)器在超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用提供了依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅婕，等.自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的電機(jī)干擾研究[J].無損檢測(cè)，2006，29（3）：135.

[2]秦繼榮，等.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[3]敖榮慶，等.伺服系統(tǒng)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：王偉平]