DCモータをFETのHブリッジで駆動時のノイズ

質問

DCモータとP型とN型のHブリッジ回路でオン＆ブレーキにより駆動しております。
駆動電圧は12Vのため、各ゲートにはゲートドライバを載せております。
デッドタイムの挿入にはCPLDを用いてスイッチ時に約250nsだけ両方OFFにしております。
また、DCモータの端子と直列にACS712という電流計測ICを入れております。
(電流計測IC用の5Vは3端子レギュレータを用いて作成しており、電源12Vは電池です。)

電流計測ICのローパスフィルタコンデンサをいくら変更してもFETのスイッチングONOFFタイミングに
出力に±200mV、幅1usecほどのノイズが生じており、詳細を調査したところ行き詰っております。

電流計測ICの電源5Vを測定すると、FETのスイッチングのタイミングで上記と同じ±200mVほどの
ノイズが生じております。ただし、3端子レギュレータからは30cmほどのケーブルがあり、
根元ではほとんど生じていません。また電流計測ICの電源のバイパスコンデンサ0.1uFや、
3端子レギュレータ付近にも電解コンデンサとセラミックコンデンサは入れてあります。
恐らく、この結果が電流計測ICの出力に乗ってしまうことで、ローパスフィルタが入っている
にも関わらず出力に高周波のノイズが入っていると考えています。
しかし、これが起こっている根本的な原因が掴めておりません。

この5V電源のばたつきの他にも、似たような影響が生じている箇所がありました。
FETをオン＆ブレーキで駆動しており、テストではモータを単方向に回転させているため、
片側のハーフブリッジがスイッチし、もう一方のハーフブリッジはゲート電圧を常にGNDとしています。
この時、常にGNDとしているはずのP型とN型の両方のゲート電位について、スイッチング時に
±1～2Vほどのノイズが生じておりました。(負の電位は作っていないはずですが。)
また、ゲートドライバとゲートの接続をはずして、GNDに直接つないだ際にもどこかから
ノイズを拾ってくるのか同じ波形のままであり、ゲートドライバの電源と入力信号には
ノイズ的なものは見られなかったためにFET側に問題がありそうだと考えています。

電流計測ICの電源5Vと、FETゲート電位の2箇所におけるノイズの幅は、デッドタイムの250nsecにも
見えるため何か関係ありそうだと疑っています。

何か、よくある失敗をおかしていたりするのでしょうか？
お気付きの方が居られましたらぜひアドバイスをいただきたいです。

回答No.4

xpopo · ベストアンサー

今晩は、

まず、最初の問題：
１）
>電流計測ICのローパスフィルタコンデンサをいくら変更してもFETのスイッチングONOFFタイミングに
>出力に±200mV、幅1usecほどのノイズが生じており、詳細を調査したところ行き詰っております。

>電流計測ICの電源5Vを測定すると、FETのスイッチングのタイミングで上記と同じ±200mVほどの
>ノイズが生じております。ただし、3端子レギュレータからは30cmほどのケーブルがあり、
>根元ではほとんど生じていません。また電流計測ICの電源のバイパスコンデンサ0.1uFや、
>3端子レギュレータ付近にも電解コンデンサとセラミックコンデンサは入れてあります。

について。ここで言う出力とは電流計測IC（ACS712）のVOUT(pin7)を指していると理解します。
AS712のデータシートから、ローパスフィルタCFは内臓抵抗RF(INT)（1.7kΩ）とでハイカット
フィルタを構成し、CFを大きくしてゆけばカットオフ周波数ωc（=1/(2*π*CF*RF(INT)）で
決定されるので）はどんどん小さくなってゆき検出器で検出されるノイズ（検出信号も同時に）
小さくなってゆくはずです。
　しかし、測定結果はCFの値によってVOUTは変化してないので、あきらかに異常です。更に
ICの電源端子Vcc－GND間にも0.1uFのデカップコンデンサが接続されているということですから。
　どうもこの測定されている±200mV、幅1usecほどのノイズは本当のVOUTの信号ではない他の
信号を測定しているのではないか？という疑問が可能性として考えられます。

次に、
２）
>この時、常にGNDとしているはずのP型とN型の両方のゲート電位について、スイッチング時に
>±1～2Vほどのノイズが生じておりました。(負の電位は作っていないはずですが。)
>また、ゲートドライバとゲートの接続をはずして、GNDに直接つないだ際にもどこかから
>ノイズを拾ってくるのか同じ波形のままであり、

　この現象の後半の部分、GNDに直接接続したゲートをオシロのプローブで回路のGNDを基準に
測定してもノイズ波形が観測されているって異常ですね。

　以上の１）および２）よりどうも、オシロで測定しているのは回路近傍の空間の電磁ノイズで
ある可能性が濃厚です。
　側定時にオシロプローブのGNDリードとプローブで小さな輪が出来ていませんか？
その輪が電磁ノイズを拾うアンテナになってしまってるんではないかと疑われます。
　これを確認するには、プローブのGNDリードをプローブの先端に向かってプローブ
に巻きつけてなるべくGNDリードとプローブでできる輪の面積を小さくして測定してみること
です。モータのような誘導性負荷をPWMドライブする場合は常に大きな電磁ノイズが
駆動回路基板に発生します。これは基本的なことです。ぜひ確認してみてください。

お礼

ありがとうございます。
御指摘いただいた通り、私も異常を感じております。
12Vと5Vの電源ラインを整理した後で、
ノイズの大きさが半分くらいになることを確認しました。
さらに、プローブや空中配線の位置を変えるとノイズが上下してしまいましたので、御指摘いただいた内容が怪しそうです。
現状では小さなブレットボードで実験しているので原因を消しきれませんが、次の実験ではこの結果を踏まえて改善したいと思います。

回答No.3

fjnobu

ブレッドボードで、実験しているのなら、接触不良が考えられます。
しっかりと半田付けして調べるのが確実です。
それと、オシロスコープのＧＮＤの取り方に問題は無いでしょうか？
電流が流れているＧＮＤは電圧降下が起きます。
デッドタイムが２５０ｎＳでノイズが１μＳのノイズということなので、デッドタイム１μＳより長くして、どのタイミングで発生しているかを調べると対策が確実になると思います。

回答No.2

el156

FETのゲート容量の放電経路と、ドレイン～ゲート間の帰還容量を介してゲートに戻って来る電流の経路をループで考えてみると良いと思います。Gndは各部で夫々電位が違うだろうと想定されていますでしょうか。オシロスコープのプローブ先端のグランドリードをゲートドライバのGnd端子に接続したまま各部の電位を測定しているということはありませんでしょうか。

お礼

部品をブレッドボード周辺で追加追加しながらテストしているので、ループがよくわからない状態になっています。整理してみます。
ご指摘いただいた測定も、やってしまっていたかもしれないです。
ありがとうございます。

回答No.1

tadys

オシロスコープの使い方が悪いと実際には存在しない信号が見える事が有ります。
まずは、そのノイズが本当に発生しているのかを確認する事が必要です。
ノイズが無いはずの所にオシロのプローブを当ててノイズが観測されないことを確認してください。
ノイズが無いはずの所とは、ICやFETのグランドや、パスコンの両端などです。
ここでノイズが見られるようであれば、オシロの使い方が悪いせいです。
特に、高速パルスの観測ではプローブの使い方が重要です。
下記URLを読んで参考にしてください。ヒント６～８のあたり
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-7894JAJP.pdf
こちらの図０．２、写真０．１も参考に
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/40/40981/40981.pdf
予算が有るのであれば差動プローブを購入してください。
予算が無いのであれば、オシロの減算機能を利用して2本のプローブで差動測定が出来ます。

オシロを正しく使ってもノイズが見える場合の対策です。
モーターなどの大電流を流す回路のグランドラインと、制御系のグランドラインは別々に配線し、それらのグランドは1か所で接続します。
グランドを別にする為、制御系の電源は絶縁型のDC-DCコンバータで作るのが良いでしょう。

リンギングが発生するのは不要なインダクタンスが原因です。
不要なインダクタンスが小さくなるような配置配線が必要です。
インダクタンスはパルスが流れるループの面積に依存するのでこれを小さくします。
ループとは例えば、パスコンのプラス端子～FET～モータ～FET～パスコンのマイナス端子です。
配線を短くするのは勿論の事、配線で囲まれる面積も小さくします。
短く出来ない配線はより合わせるなどします。
それでもとりきれない分はスナバ回路で吸収します。
http://www.tsystem.jp/freecircuit/freecircuitrelay20.html
モータの両端にC-Rの直列回路を接続します。接続する場所はFETの近くです。

これ以外にも対策するところは有るかもしれません。
ノイズ対策は具体的な部品の配置、配線の仕方に影響されます。

お礼

ありがとうございます。
十分に注意を払えていなかったことばかりなので、しっかり読ませていただき、確認していきたいと思います。