基于DSP的電動機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)

在詳細(xì)介紹了電磁干擾理論知識的基礎(chǔ)上，對無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的電磁兼容性軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，電磁兼容性設(shè)計(jì)有利于提高無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 電磁干擾

熟悉和了解常見的電磁干擾源是發(fā)現(xiàn)和解決電磁干擾問題的關(guān)鍵之一。電磁干擾可分為自然和人為兩類。所謂自然的是指自然界所固有的與人類的活動無關(guān)的電磁干擾現(xiàn)象。所謂人為的是指由于人類的工業(yè)和社會活動所產(chǎn)生的電磁干擾［1，2］。

1.1 電磁干擾源

諸如雷電的放電現(xiàn)象，電動機(jī)的TTL邏輯元件、動態(tài)RAM、電源、震蕩器件及變壓器等在工作時(shí)都會產(chǎn)生高頻電磁波或者噪音，嚴(yán)重影響電動機(jī)的正常工作。

1.2 電磁干擾能量的耦合途徑

耦合是指電路、設(shè)備、系統(tǒng)與其它電路、設(shè)備、系統(tǒng)間能量的聯(lián)系。各種電磁騷擾源通過耦合傳輸電磁能量到敏感設(shè)備。耦合途徑有兩種方式：傳導(dǎo)耦合與輻射耦合。

1.2.1 傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)耦合是通過電源線、信號線、互聯(lián)線、接地導(dǎo)體等連接通道進(jìn)行耦合。按耦合方式又可劃分為公共阻抗耦合、電容性耦合、電感性耦合三種基本方式。實(shí)際中，這三種方式是同時(shí)存在共同作用的。

1）公共阻抗耦合

當(dāng)電路電流經(jīng)過一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個(gè)電路。公共電源阻抗耦合模型及其等效電路如下：

圖1 公共電源阻抗耦合模型

圖2 公共電源阻抗等效電路

圖2中將圖1中的電源阻抗及公共線路阻抗合并表示為R，U為理想電壓源，Z1、Z2分別為電路1和電路2的阻抗。根據(jù)等效電路有：

由上式可以看出由于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。降低電路1與電路2間的公共阻抗耦合即減小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，從減小電源線長度的方式來減小公共線路阻抗;另一方面可采用穩(wěn)壓電源將電源內(nèi)阻降低［3］。

2）電容性耦合

電容性耦合是由兩條電路間的電場相互作用所引起的，其耦合模型及等效電路如下：

圖3 電容性耦合模型

圖4 電容性耦合等效電路

C12是導(dǎo)體1與導(dǎo)體2之間的分布電容，C1g是導(dǎo)體1與地之間的電容，C2g是導(dǎo)體2與地之間的電容，R是導(dǎo)體2與地之間的電阻，U1是作為騷擾源的導(dǎo)體1的電壓，電路2為受干擾電路，Un是線路2與地之間產(chǎn)生的騷擾電壓。

根據(jù)等效電路則有：

若R為低阻抗，且滿足則

（1）

若R為高阻抗，且滿足則

（2）

式（1） 表明電容性耦合的騷擾作用相當(dāng)于在導(dǎo)體2與地間接了一個(gè)幅值In=jwC12U的電流源。在騷擾源電壓和頻率恒定的情況下要減小耦合干擾，一方面可使敏感電路在較低的電阻值上工作，即通過減小R的方式來減小Un;另一方面導(dǎo)體通過合適地取向、屏蔽或隔離的方式減小C12來達(dá)到減小Un。

式（2） 表明在高阻抗的情況下電容性耦合騷擾作用只與C12、C2g有關(guān)，且此時(shí)產(chǎn)生的騷擾作用要大的多。

3）電感性耦合

電感性耦合是由兩電路間的磁場相互作用引起的，其耦合模型及等效電路如下：

圖5 電感性耦合模型

圖6 電感性耦合等效電路

電路1中干擾電源I1在電路2的負(fù)載電阻R和R2上產(chǎn)生的騷擾電壓分別為：

其中S為回路面積，B是角頻率為的正弦變化磁通密度的有效值。由上式可知，可通過減小B、S、cosθ的方式減小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(jīng)空間傳輸?shù)矫舾性O(shè)備。空間中除了騷擾源有意輻射之外，還存在許多無意輻射的電磁波，而處在這一電磁場中的導(dǎo)體都能感應(yīng)出電壓。因此，輻射干擾可通過天線、導(dǎo)線、閉合回路等方式對

電動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行干擾。

2 系統(tǒng)硬件的電磁兼容的設(shè)計(jì)

DSP電路的工作頻率很高，芯片管腳很密，在與模擬器件一起進(jìn)行數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)時(shí)，對PCB版的設(shè)計(jì)要求很高［4］。以下為設(shè)計(jì)時(shí)必須遵守的準(zhǔn)則和要求。

隨著電子器件的小型化及封裝密集化，有必要采用多層印刷電路板，其中包括單獨(dú)的數(shù)字地層、電源層及其其它信號層。在布線時(shí)，單獨(dú)設(shè)置的電源層有利于電路板元器件的布放;采用地層則不僅省去了大量器件管腳接地的工作量，而且可以有效地改善數(shù)字地線的質(zhì)量。但應(yīng)注意，在布孔、布線時(shí)應(yīng)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(tǒng)采用了四層板結(jié)構(gòu)，分別為地層、電源層和兩面元件層。在繪制PCB也特別考慮了通孔焊盤和過孔的使用， 將盡可能多的網(wǎng)絡(luò)在元件層布通。

由于基于DSP的電動機(jī)控制系統(tǒng)使用的微處理器內(nèi)核采用獨(dú)立電源供電模式，因此對于具有144個(gè)管腳的TSM320LF2407A，需要較多的電源解

耦電容，為了節(jié)省空間，減小通孔數(shù)目，系統(tǒng)采用貼片電容，達(dá)到了較好的解耦效果。

接地應(yīng)遵循的基本原則是：數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應(yīng)該合理接地，不能混用。盡可能的使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合。合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)，并根據(jù)地電流的大小和頻率設(shè)計(jì)相應(yīng)寬度的印刷電路和接地方式。DSP的A/D采樣模擬電源引腳VCCA和VSSA必須區(qū)別于任何數(shù)字電壓電源引腳，避免數(shù)字干擾信號通過地線耦合。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)化器的模擬地線采用單點(diǎn)接觸，數(shù)字地與模擬地在電源處連接并在此處接大地。 VCCA和VSSA模擬引線在印刷電路板布線時(shí)應(yīng)盡可能的短，以使二者正確匹配。

3 軟件電磁兼容設(shè)計(jì)

TSM320LF2407A有豐富的指令集、極高的運(yùn)行速度及軟件看門狗（watchdog）和實(shí)時(shí)中斷（RTI）模塊，這些特點(diǎn)都為軟件抗干擾提供了良好的條件。本系統(tǒng)主要采用以下幾種軟件抗干擾設(shè)計(jì)。

3.1軟件陷阱法

由于干擾，往往會導(dǎo)致運(yùn)行程序進(jìn)入程序存儲器的空白區(qū)（即無指令區(qū)），這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。因此在各個(gè)子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個(gè)空操作（nop），后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會自動返回執(zhí)行正常程序。即：

Nop

Nop

Nop

LJMPADDRESS:ADDRESS指定地址;

3.2 程序的冗余設(shè)計(jì)

在程序存儲器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)被破壞時(shí)仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于LF2407A的數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)頁為基準(zhǔn)，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁，會導(dǎo)致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行填充，防止數(shù)據(jù)頁混亂導(dǎo)致程序的系統(tǒng)誤操作。

3.3 軟件看門狗設(shè)計(jì)

看門狗定時(shí)器（WDT）又稱監(jiān)視定時(shí)器，可使微機(jī)系統(tǒng)從故障中恢復(fù)過來。在微機(jī)系統(tǒng)啟動時(shí)，也啟動WDT。它將對機(jī)器的狀態(tài)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，每一個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，能自動的將復(fù)位引腳的電平拉低至少兩個(gè)狀態(tài)周期的時(shí)間，這個(gè)復(fù)位信號使得DSP復(fù)位。在正常工作時(shí)，定期的用軟件去復(fù)位 WDT，而不會使WDT溢出造成系統(tǒng)復(fù)位?？墒?，如果程序一旦“跑飛”進(jìn)入死循環(huán)或誤區(qū)，這時(shí)軟件就不會復(fù)位WDT，從而使WDT的計(jì)數(shù)達(dá)到溢出而使系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位后又從000H單元開始執(zhí)行程序，這樣就可把“跑飛”的程序拉回到正常的程序中。

4 結(jié)論

電磁兼容設(shè)計(jì)關(guān)系到基于DSP的電動機(jī)控制系統(tǒng)能否安全工作。電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境，控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，工藝復(fù)雜性，成本等因素進(jìn)行電磁兼容的綜合設(shè)計(jì)。電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用上述電磁兼容性設(shè)計(jì)，可使運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率低，達(dá)到預(yù)期效果！