基于DSP的電動(dòng)機電磁兼容設計

在詳細介紹了電磁干擾理論知識的基礎上，對無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的電磁兼容性軟硬件設計進(jìn)行了分析，電磁兼容性設計有利于提高無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的抗干擾能力，增強系統的可靠性和穩定性。

1 電磁干擾

熟悉和了解常見(jiàn)的電磁干擾源是發(fā)現和解決電磁干擾問(wèn)題的關(guān)鍵之一。電磁干擾可分為自然和人為兩類(lèi)。所謂自然的是指自然界所固有的與人類(lèi)的活動(dòng)無(wú)關(guān)的電磁干擾現象。所謂人為的是指由于人類(lèi)的工業(yè)和社會(huì )活動(dòng)所產(chǎn)生的電磁干擾［1，2］。

1.1 電磁干擾源

諸如雷電的放電現象，電動(dòng)機的TTL邏輯元件、動(dòng)態(tài)RAM、電源、震蕩器件及變壓器等在工作時(shí)都會(huì )產(chǎn)生高頻電磁波或者噪音，嚴重影響電動(dòng)機的正常工作。

1.2 電磁干擾能量的耦合途徑

耦合是指電路、設備、系統與其它電路、設備、系統間能量的聯(lián)系。各種電磁騷擾源通過(guò)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

傳導耦合是通過(guò)電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、互聯(lián)線(xiàn)、接地導體等連接通道進(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

當電路電流經(jīng)過(guò)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(huì )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(xiàn)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(huì )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(wú)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(xiàn)路阻抗。一方面可將電路的電源引線(xiàn)靠近電源輸出端，從減小電源線(xiàn)長(cháng)度的方式來(lái)減小公共線(xiàn)路阻抗;另一方面可采用穩壓電源將電源內阻降低［3］。

2）電容性耦合

電容性耦合是由兩條電路間的電場(chǎng)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是導體1與導體2之間的分布電容，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是作為騷擾源的導體1的電壓，電路2為受干擾電路，Un是線(xiàn)路2與地之間產(chǎn)生的騷擾電壓。

根據等效電路則有：

若R為低阻抗，且滿(mǎn)足則

（1）

若R為高阻抗，且滿(mǎn)足則

（2）

式（1） 表明電容性耦合的騷擾作用相當于在導體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(guò)減小R的方式來(lái)減小Un;另一方面導體通過(guò)合適地取向、屏蔽或隔離的方式減小C12來(lái)達到減小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(chǎng)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(guò)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(chǎng)的形式將電磁能從騷擾源經(jīng)空間傳輸到敏感設備?？臻g中除了騷擾源有意輻射之外，還存在許多無(wú)意輻射的電磁波，而處在這一電磁場(chǎng)中的導體都能感應出電壓。因此，輻射干擾可通過(guò)天線(xiàn)、導線(xiàn)、閉合回路等方式對

電動(dòng)機控制系統進(jìn)行干擾。

2 系統硬件的電磁兼容的設計

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?；旌显O計時(shí)，對PCB版的設計要求很高［4］。以下為設計時(shí)必須遵守的準則和要求。

隨著(zhù)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，其中包括單獨的數字地層、電源層及其其它信號層。在布線(xiàn)時(shí)，單獨設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字地線(xiàn)的質(zhì)量。但應注意，在布孔、布線(xiàn)時(shí)應考慮通孔焊盤(pán)和過(guò)孔會(huì )將地層打斷，過(guò)多的通孔會(huì )影響地層的抗干擾效果。本系統采用了四層板結構，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(pán)和過(guò)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(dòng)機控制系統使用的微處理器內核采用獨立電源供電模式，因此對于具有144個(gè)管腳的TSM320LF2407A，需要較多的電源解

耦電容，為了節省空間，減小通孔數目，系統采用貼片電容，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。盡可能的使接地電路各自形成回路，減少電路與地線(xiàn)之間的電流耦合。合理布置地線(xiàn)使電流局限在盡可能小的范圍內，并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采樣模擬電源引腳VCCA和VSSA必須區別于任何數字電壓電源引腳，避免數字干擾信號通過(guò)地線(xiàn)耦合。同時(shí)，A/D轉化器的模擬地線(xiàn)采用單點(diǎn)接觸，數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(xiàn)在印刷電路板布線(xiàn)時(shí)應盡可能的短，以使二者正確匹配。

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(mén)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。本系統主要采用以下幾種軟件抗干擾設計。

3.1軟件陷阱法

由于干擾，往往會(huì )導致運行程序進(jìn)入程序存儲器的空白區（即無(wú)指令區），這種現象叫做程序“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(xiě)上連續3個(gè)空操作（nop），后接一無(wú)條件轉移指令，一旦程序跑飛到這些區域，就會(huì )自動(dòng)返回執行正常程序。即：

Nop

Nop

Nop

LJMPADDRESS:ADDRESS指定地址;

3.2 程序的冗余設計

在程序存儲器的空白區域，寫(xiě)入一些重要的數據表和程序作為備份，以便系統被破壞時(shí)仍有備份參數和程序維持系統正常工作。由于LF2407A的數據存儲以數據頁(yè)為基準，如果對不同數據頁(yè)的數據進(jìn)行操作而不指定相應的數據頁(yè)，會(huì )導致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿(mǎn)的數據頁(yè)進(jìn)行填充，防止數據頁(yè)混亂導致程序的系統誤操作。

3.3 軟件看門(mén)狗設計

看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）又稱(chēng)監視定時(shí)器，可使微機系統從故障中恢復過(guò)來(lái)。在微機系統啟動(dòng)時(shí)，也啟動(dòng)WDT。它將對機器的狀態(tài)周期進(jìn)行計數，每一個(gè)狀態(tài)周期計數器加1，當計數器溢出時(shí)，能自動(dòng)的將復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)復位信號使得DSP復位。在正常工作時(shí)，定期的用軟件去復位 WDT，而不會(huì )使WDT溢出造成系統復位?？墒?，如果程序一旦“跑飛”進(jìn)入死循環(huán)或誤區，這時(shí)軟件就不會(huì )復位WDT，從而使WDT的計數達到溢出而使系統復位。系統復位后又從000H單元開(kāi)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(guān)系到基于DSP的電動(dòng)機控制系統能否安全工作。電動(dòng)機控制系統設計應根據系統的工作環(huán)境，控制系統的技術(shù)指標，工藝復雜性，成本等因素進(jìn)行電磁兼容的綜合設計。電動(dòng)機控制系統的設計采用上述電磁兼容性設計，可使運行穩定可靠，故障率低，達到預期效果！