從無刷直流電動機控制系統電磁兼容設計，談電磁干擾原理

在詳細介紹了電磁干擾理論知識的基礎上，對無刷直流電動機控制系統的電磁兼容性軟硬件設計進行了分析，電磁兼容性設計有利於提升無刷直流電動機控制系統的抗干擾能力，加強系統的可靠性和穩定性。

1 電磁干擾

熟悉和了解常見的電磁干擾源是發現和解決電磁干擾問題的關鍵之一。電磁干擾可分爲天然和人爲兩類。所謂天然的是指天然界所固有的與人類的活動無關的電磁干擾現象。所謂人爲的是指因爲人類的工業和社會活動所產生的電磁干擾。

1.1 電磁干擾源

諸如雷電的放電現象，電動機的TTL邏輯元件、動態RAM、電源、震盪器件及變壓器等在工做時都會產生高頻電磁波或者噪音，嚴重影響電動機的正常工做。

1.2 電磁干擾能量的耦合途徑

耦合是指電路、設備、系統與其它電路、設備、系統間能量的聯繫。各類電磁騷擾源經過耦合傳輸電磁能量到敏感設備。耦合途徑有兩種方式：傳導耦合與輻射耦合。

1.2.1 傳導耦合

傳導耦合是經過電源線、信號線、互聯線、接地導體等鏈接通道進行耦合。按耦合方式又可劃分爲公共阻抗耦合、電容性耦合、電感性耦合三種基本方式。實際中，這三種方式是同時存在共同做用的。

1）公共阻抗耦合

當電路電流通過一個公共阻抗時，一個電路的電流在該公共阻抗上造成的電壓就會影響到另外一個電路。公共電源阻抗耦合模型及其等效電路以下：

 

圖2中將圖1中的電源阻抗及公共線路阻抗合併表示爲R，U爲理想電壓源，Z一、Z2分別爲電路1和電路2的阻抗。根據等效電路有：

 

由上式能夠看出因爲R的存在，電路1電源電流的任何變化都會影響電路2的電源電壓。若R=0，則U1=U2=U，即電路1和電路2無公共阻抗耦合。下降電路1與電路2間的公共阻抗耦合即減少電源阻抗和公共線路阻抗。一方面可將電路的電源引線靠近電源輸出端，從減少電源線長度的方式來減少公共線路阻抗;另外一方面可採用穩壓電源將電源內阻下降。

2）電容性耦合

電容性耦合是由兩條電路間的電場相互做用所引發的，其耦合模型及等效電路以下：

 

C12是導體1與導體2之間的分佈電容，C1g是導體1與地之間的電容，C2g是導體2與地之間的電容，R是導體2與地之間的電阻，U1是做爲騷擾源的導體1的電壓，電路2爲受干擾電路，Un是線路2與地之間產生的騷擾電壓。

 

式（1） 代表電容性耦合的騷擾做用至關於在導體2與地間接了一個幅值In=jwC12U的電流源。在騷擾源電壓和頻率恆定的狀況下要減少耦合干擾，一方面可以使敏感電路在較低的電阻值上工做，即經過減少R的方式來減少Un;另外一方面導體經過合適地取向、屏蔽或隔離的方式減少C12來達到減少Un。

式（2） 代表在高阻抗的狀況下電容性耦合騷擾做用只與C十二、C2g有關，且此時產生的騷擾做用要大的多。

3）電感性耦合

電感性耦合是由兩電路間的磁場相互做用引發的，其耦合模型及等效電路以下：

 

電路1中干擾電源I1在電路2的負載電阻R和R2上產生的騷擾電壓分別爲：

 

其中S爲迴路面積，B是角頻率爲的正弦變化磁通密度的有效值。由上式可知，可經過減少B、S、cosθ的方式減少電感性耦合騷擾的目的。

1.2.2 輻射耦合

輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能從騷擾源經空間傳輸到敏感設備。空間中除了騷擾源有意輻射以外，還存在許多無心輻射的電磁波，而處在這一電磁場中的導體都能感應出電壓。所以，輻射干擾可經過天線、導線、閉合迴路等方式對電動機控制系統進行干擾。

2 系統硬件的電磁兼容的設計

DSP電路的工做頻率很高，芯片管腳很密，在與模擬器件一塊兒進行數模混合設計時，對PCB版的設計要求很高。如下爲設計時必須遵照的準則和要求。

隨着電子器件的小型化及封裝密集化，有必要採用多層印刷電路板，其中包括單獨的數字地層、電源層及其其它信號層。在佈線時，單獨設置的電源層有利於電路板元器件的布放;採用地層則不只省去了大量器件管腳接地的工做量，並且能夠有效地改善數字地線的質量。但應注意，在布孔、佈線時應考慮通孔焊盤和過孔會將地層打斷，過多的通孔會影響地層的抗干擾效果。本系統採用了四層板結構，分別爲地層、電源層和兩面元件層。在繪製PCB也特別考慮了通孔焊盤和過孔的使用， 將盡量多的網絡在元件層布通。

因爲基於DSP的電動機控制系統使用的微處理器內核採用獨立電源供電模式，所以對於具備144個管腳的TSM320LF2407A，須要較多的電源解耦電容，爲了節省空間，減少通孔數目，系統採用貼片電容，達到了較好的解耦效果。

接地應遵循的基本原則是：數字地、模擬地、屏蔽地應該合理接地，不能混用。儘量的使接地電路各自造成迴路，減小電路與地線之間的電流耦合。合理佈置地線使電流侷限在儘量小的範圍內，並根據地電流的大小和頻率設計相應寬度的印刷電路和接地方式。DSP的A/D採樣模擬電源引腳VCCA和VSSA必須區別於任何數字電壓電源引腳，避免數字干擾信號經過地線耦合。同時，A/D轉化器的模擬地線採用單點接觸，數字地與模擬地在電源處鏈接並在此處接大地。 VCCA和VSSA模擬引線在印刷電路板佈線時應儘量的短，以使兩者正確匹配。

3 軟件電磁兼容設計

TSM320LF2407A有豐富的指令集、極高的運行速度及軟件看門狗（watchdog）和實時中斷（RTI）模塊，這些特色都爲軟件抗干擾提供了良好的條件。本系統主要採用如下幾種軟件抗干擾設計。

3.1軟件陷阱法

因爲干擾，每每會致使運行程序進入程序存儲器的空白區（即無指令區），這種現象叫作程序「跑飛」。所以在各個子程序之間、各功能模塊之間和全部空白處，都寫上連續3個空操做（nop），後接一無條件轉移指令，一旦程序跑飛到這些區域，就會自動返回執行正常程序。即：

Nop

Nop

Nop

LJMPADDRESS:ADDRESS指定地址;

3.2 程序的冗餘設計

在程序存儲器的空白區域，寫入一些重要的數據表和程序做爲備份，以便系統被破壞時仍有備份參數和程序維持系統正常工做。因爲LF2407A的數據存儲以數據頁爲基準，若是對不一樣數據頁的數據進行操做而不指定相應的數據頁，會致使程序跑飛。所以須要對程序未使用滿的數據頁進行填充，防止數據頁混亂致使程序的系統誤操做。

3.3 軟件看門狗設計

看門狗定時器（WDT）又稱監視定時器，可以使微機系統從故障中恢復過來。在微機系統啓動時，也啓動WDT。它將對機器的狀態週期進行計數，每個狀態週期計數器加1，當計數器溢出時，能自動的將復位引腳的電平拉低至少兩個狀態週期的時間，這個復位信號使得DSP復位。在正常工做時，按期的用軟件去復位 WDT，而不會使WDT溢出形成系統復位。但是，若是程序一旦「跑飛」進入死循環或誤區，這時軟件就不會復位WDT，從而使WDT的計數達到溢出而使系統復位。系統復位後又從000H單元開始執行程序，這樣就可把「跑飛」的程序拉回到正常的程序中。

4 結論

電磁兼容設計關係到基於DSP的電動機控制系統可否安全工做。電動機控制系統設計應根據系統的工做環境，控制系統的技術指標，工藝複雜性，成本等因素進行電磁兼容的綜合設計。電動機控制系統的設計採用上述電磁兼容性設計，可以使運行穩定可靠，故障率低，達到預期效果！