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浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计

2018年06月04日 10:45 次阅读

在详细介绍了电磁干扰理论知识的基础上,对无刷直流电动机控制系统的电磁兼容性软硬件设计进行了分析,电磁兼容性设计有利于提高无刷直流电动机控制系统的抗干扰能力,增强系统的可靠性和稳定性。

1 电磁干扰

熟悉和了解常见的电磁干扰源是发现和解决电磁干扰问题的关键之一。电磁干扰可分为自然和人为两类。所谓自然的是指自然界所固有的与人类的活动无关的电磁干扰现象。所谓人为的是指由于人类的工业和社会活动所产生的电磁干扰。

1.1 电磁干扰源

诸如雷电的放电现象,电动机的TTL逻辑元件、动态RAM、电源、震荡器件及变压器等在工作时都会产生高频电磁波或者噪音,严重影响电动机的正常工作。

1.2 电磁干扰能量的耦合途径

耦合是指电路、设备、系统与其它电路、设备、系统间能量的联系。各种电磁骚扰源通过耦合传输电磁能量到敏感设备。耦合途径有两种方式:传导耦合与辐射耦合。

1.2.1 传导耦合

传导耦合是通过电源线、信号线、互联线、接地导体等连接通道进行耦合。按耦合方式又可划分为公共阻抗耦合、电容性耦合、电感性耦合三种基本方式。实际中,这三种方式是同时存在共同作用的。

1)公共阻抗耦合

当电路电流经过一个公共阻抗时,一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路。公共电源阻抗耦合模型及其等效电路如下:

浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计

图2中将图1中的电源阻抗及公共线路阻抗合并表示为R,U为理想电压源,Z1、Z2分别为电路1和电路2的阻抗。根据等效电路有:

浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计

由上式可以看出由于R的存在,电路1电源电流的任何变化都会影响电路2的电源电压。若R=0,则U1=U2=U,即电路1和电路2无公共阻抗耦合。降低电路1与电路2间的公共阻抗耦合即减小电源阻抗和公共线路阻抗。一方面可将电路的电源引线靠近电源输出端,从减小电源线长度的方式来减小公共线路阻抗;另一方面可采用稳压电源将电源内阻降低。

2)电容性耦合

电容性耦合是由两条电路间的电场相互作用所引起的,其耦合模型及等效电路如下:

浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计

C12是导体1与导体2之间的分布电容,C1g是导体1与地之间的电容,C2g是导体2与地之间的电容,R是导体2与地之间的电阻,U1是作为骚扰源的导体1的电压,电路2为受干扰电路,Un是线路2与地之间产生的骚扰电压。浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计式(1) 表明电容性耦合的骚扰作用相当于在导体2与地间接了一个幅值In=jwC12U的电流源。在骚扰源电压和频率恒定的情况下要减小耦合干扰,一方面可使敏感电路在较低的电阻值上工作,即通过减小R的方式来减小Un;另一方面导体通过合适地取向、屏蔽或隔离的方式减小C12来达到减小Un。

式(2) 表明在高阻抗的情况下电容性耦合骚扰作用只与C12、C2g有关,且此时产生的骚扰作用要大的多。

3)电感性耦合

电感性耦合是由两电路间的磁场相互作用引起的,其耦合模型及等效电路如下:

浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计

电路1中干扰电源I1在电路2的负载电阻R和R2上产生的骚扰电压分别为:

浅谈电磁干扰原理 无刷直流电动机控制系统电磁兼容设计

其中S为回路面积,B是角频率为的正弦变化磁通密度的有效值。由上式可知,可通过减小B、S、cosθ的方式减小电感性耦合骚扰的目的。

1.2.2 辐射耦合

辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能从骚扰源经空间传输到敏感设备。空间中除了骚扰源有意辐射之外,还存在许多无意辐射的电磁波,而处在这一电磁场中的导体都能感应出电压。因此,辐射干扰可通过天线、导线、闭合回路等方式对

电动机控制系统进行干扰。

2 系统硬件的电磁兼容的设计

DSP电路的工作频率很高,芯片管脚很密,在与模拟器件一起进行数模混合设计时,对PCB版的设计要求很高。以下为设计时必须遵守的准则和要求。

随着电子器件的小型化及封装密集化,有必要采用多层印刷电路板,其中包括单独的数字地层、电源层及其其它信号层。在布线时,单独设置的电源层有利于电路板元器件的布放;采用地层则不仅省去了大量器件管脚接地的工作量,而且可以有效地改善数字地线的质量。但应注意,在布孔、布线时应考虑通孔焊盘和过孔会将地层打断,过多的通孔会影响地层的抗干扰效果。本系统采用了四层板结构,分别为地层、电源层和两面元件层。在绘制PCB也特别考虑了通孔焊盘和过孔的使用, 将尽可能多的网络在元件层布通。

由于基于DSP的电动机控制系统使用的微处理器内核采用独立电源供电模式,因此对于具有144个管脚的TSM320LF2407A,需要较多的电源解

耦电容,为了节省空间,减小通孔数目,系统采用贴片电容,达到了较好的解耦效果。

接地应遵循的基本原则是:数字地、模拟地、屏蔽地应该合理接地,不能混用。尽可能的使接地电路各自形成回路,减少电路与地线之间的电流耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内,并根据地电流的大小和频率设计相应宽度的印刷电路和接地方式。DSP的A/D采样模拟电源引脚VCCA和VSSA必须区别于任何数字电压电源引脚,避免数字干扰信号通过地线耦合。同时,A/D转化器的模拟地线采用单点接触,数字地与模拟地在电源处连接并在此处接大地。 VCCA和VSSA模拟引线在印刷电路板布线时应尽可能的短,以使二者正确匹配。

3 软件电磁兼容设计

TSM320LF2407A有丰富的指令集、极高的运行速度及软件看门狗(watchdog)和实时中断(RTI)模块,这些特点都为软件抗干扰提供了良好的条件。本系统主要采用以下几种软件抗干扰设计。

3.1软件陷阱法

由于干扰,往往会导致运行程序进入程序存储器的空白区(即无指令区),这种现象叫做程序“跑飞”。因此在各个子程序之间、各功能模块之间和所有空白处,都写上连续3个空操作(nop),后接一无条件转移指令,一旦程序跑飞到这些区域,就会自动返回执行正常程序。即:

Nop

Nop

Nop

LJMPADDRESS:ADDRESS指定地址;

3.2 程序的冗余设计

在程序存储器的空白区域,写入一些重要的数据表和程序作为备份,以便系统被破坏时仍有备份参数和程序维持系统正常工作。由于LF2407A的数据存储以数据页为基准,如果对不同数据页的数据进行操作而不指定相应的数据页,会导致程序跑飞。因此需要对程序未使用满的数据页进行填充,防止数据页混乱导致程序的系统误操作。

3.3 软件看门狗设计

看门狗定时器(WDT)又称监视定时器,可使微机系统从故障中恢复过来。在微机系统启动时,也启动WDT。它将对机器的状态周期进行计数,每一个状态周期计数器加1,当计数器溢出时,能自动的将复位引脚的电平拉低至少两个状态周期的时间,这个复位信号使得DSP复位。在正常工作时,定期的用软件去复位 WDT,而不会使WDT溢出造成系统复位。可是,如果程序一旦“跑飞”进入死循环或误区,这时软件就不会复位WDT,从而使WDT的计数达到溢出而使系统复位。系统复位后又从000H单元开始执行程序,这样就可把“跑飞”的程序拉回到正常的程序中。

4 结论

电磁兼容设计关系到基于DSP的电动机控制系统能否安全工作。电动机控制系统设计应根据系统的工作环境,控制系统的技术指标,工艺复杂性,成本等因素进行电磁兼容的综合设计。电动机控制系统的设计采用上述电磁兼容性设计,可使运行稳定可靠,故障率低,达到预期效果!

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什么是静电干扰?静电属于电磁干扰吗?

为什么要推进IPv6?为每一粒沙提供一个IP

为什么要推进 IPv6事情要从 1981 年开始说起,IETF 在 1981 年发布了 RFC 79...

发表于 2018-01-17 06:45 2069次阅读
为什么要推进IPv6?为每一粒沙提供一个IP

详细解析电磁兼容设计时应遵循的11个基本原则

电子线路设计准则电子线路设计者往往只考虑产品的功 能,而没有将功能和电磁兼容性综合考虑,因此产品在完...

发表于 2018-01-16 15:35 1420次阅读
详细解析电磁兼容设计时应遵循的11个基本原则

设计或应用时如何攻克电源的EMI难题

随着微电子技术的高速发展,实际应用对开关电源提出更苛刻的技术要求,不仅讲究高效率、高功率密度,且为保...

发表于 2018-01-12 09:39 3568次阅读
设计或应用时如何攻克电源的EMI难题

军舰电磁兼容性能介绍与改善方法

军舰上层层叠叠、工作在不同频率的各种电子设备,就像一大群人站在军舰上用不同颜色的手电向外照射,同时戴...

发表于 2017-12-28 11:06 1226次阅读
军舰电磁兼容性能介绍与改善方法

PCB设计避免电磁干扰和稳定电源电压电流的几种常...

PCB( Printed Circuit Board),中文名称为印制电路板,又称印刷线路板,是重要...

发表于 2017-12-25 15:56 3379次阅读
PCB设计避免电磁干扰和稳定电源电压电流的几种常...

高速电路板的电磁兼容产生的因素与要素详解

消除公共阻抗耦合的途径有两个:一个是减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制...

发表于 2017-12-12 14:46 1062次阅读
高速电路板的电磁兼容产生的因素与要素详解

开发中常遇电磁干扰问题及解决办法

一般电子产品都最容易出的问题有:RE--辐射,CE--传导,ESD--静电。 通讯类电子产品不光包括...

发表于 2017-12-11 20:22 223次阅读
开发中常遇电磁干扰问题及解决办法

半电波暗室总体​方案的选择及建造方式介绍

随着国内外越来越多的电磁兼容指令、 规范、标准的制定和强制性执行,电气和电子产品的电磁兼容性( EM...

发表于 2017-12-11 19:42 149次阅读
半电波暗室总体​方案的选择及建造方式介绍

汽车电磁环境的干扰源分析及电磁兼容研究概况

随着现代电子技术在汽车上的大量应用,传统意义上的机械式汽车被现代电子化汽车所取代,各种电子电器产品已...

发表于 2017-12-11 19:03 192次阅读
汽车电磁环境的干扰源分析及电磁兼容研究概况

SEMCAD软件在电磁兼容、天线系统分析设计中的...

SEMCAD凭借其高性能的FDTD求解器、无与伦比的计算速度和强大的多目标多参数多频率的优化功能,在...

发表于 2017-12-11 16:38 530次阅读
SEMCAD软件在电磁兼容、天线系统分析设计中的...

国外电磁兼容性仿真发展概况及相关应用介绍

计算机的飞速发展以及电磁场数值分析方法的不断进步,使得电磁兼容性仿真预测对军用装备产品设计的指导意义...

发表于 2017-12-10 18:30 190次阅读
国外电磁兼容性仿真发展概况及相关应用介绍

EMC2011展览及交流先进的吸波材料技术

2011年6月28-30日在北京国际会议中心举行的第十六届国际电磁兼容技术交流展览会(EMC2011...

发表于 2017-12-09 15:29 129次阅读
EMC2011展览及交流先进的吸波材料技术

电磁干扰滤波器的设计和选用分析(为你解答电路的滤...

随着现代科学技术的飞速发展,电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛,它们在运行中产生的高密度、宽频谱...

发表于 2017-12-06 08:24 221次阅读
电磁干扰滤波器的设计和选用分析(为你解答电路的滤...

Ansoft解决天线、电磁兼容和射频韦伯等问题的...

北京航空航天大学RF/EMC研发培训中心致力于射频和电磁兼容领域的研发和培训,该中心实验室研究的领域...

发表于 2017-12-06 07:15 295次阅读
Ansoft解决天线、电磁兼容和射频韦伯等问题的...

EMC设计四大技巧之滤波设计、接地设计、屏蔽设计...

电磁干扰的主要方式是传导干扰、辐射干扰、共阻抗耦合和感应耦合。对这几种途径产生的干扰我们应采用的相应...

发表于 2017-12-05 17:04 9085次阅读
EMC设计四大技巧之滤波设计、接地设计、屏蔽设计...

电磁兼容技术及其在多层印制线路板设计中的应用

电磁兼容(Electro - Magnetic Compatibility,简称EMC)是一门新兴综...

发表于 2017-12-03 19:08 283次阅读
电磁兼容技术及其在多层印制线路板设计中的应用

辐射信号不干扰系统的辐射能量大小解析

呈辐射状的电磁干扰 (EMI) 信号会从辐射源传播至某个接收单元。根本而言,这些信号的功率或者电压强...

发表于 2017-12-01 15:39 7610次阅读
辐射信号不干扰系统的辐射能量大小解析

电磁干扰测试方法与诊断

用于检测电磁干扰的仪器是: 电磁干扰检测仪。电磁干扰测试仪插在现场电源口,能自动捕捉电磁骚扰,满记录...

发表于 2017-11-28 15:30 1214次阅读
电磁干扰测试方法与诊断

正确处理LED电源电磁兼容性:解决电磁干扰

在一般情况下,差模干扰幅度小,频率低,所造成的干扰较小;共模干扰幅度大,频率高,还可以通过导线产生辐...

发表于 2017-11-27 17:34 2009次阅读
正确处理LED电源电磁兼容性:解决电磁干扰

电磁兼容中三大类PCB布线设计详解

相邻布线层注意在分层设计时,应避免布线层相邻。如果无法避免,应适当拉大两布线层上的平行信号走线会导致...

发表于 2017-11-27 16:02 2449次阅读
电磁兼容中三大类PCB布线设计详解

教你如何有效解决LED电源的电磁干扰问题

解决LED电源电磁干扰问题,是3C认证顺利通过不可绕过的一环。熟悉电源电路设计的朋友们都知道,在LE...

发表于 2017-11-26 09:40 5954次阅读
教你如何有效解决LED电源的电磁干扰问题

除伺服电机和变频驱动器中电磁干扰问题怎么破?看完...

伺服电机和变频驱动器(VFD)通常由两部分组成-电动机自身和驱动电动机的控制器(也叫做放大器,伺服驱...

发表于 2017-11-25 08:13 4636次阅读
除伺服电机和变频驱动器中电磁干扰问题怎么破?看完...

如何预防汽车抑制电磁的干扰

在汽车电控系统中,传感器产生的低于1V的弱电信号很容易受到电磁干扰,成为错误信号,所以加装了屏蔽线来...

发表于 2017-11-03 15:28 318次阅读
如何预防汽车抑制电磁的干扰

如何消除电磁干扰

防电磁干扰有三项措施,即屏蔽、滤波和接地。往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁干扰防护,因为设备或系统...

发表于 2017-11-01 17:46 4367次阅读
如何消除电磁干扰

电磁干扰的定义_电磁干扰原理

电磁干扰,有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个...

发表于 2017-11-01 17:14 854次阅读
电磁干扰的定义_电磁干扰原理

电磁干扰的危害及电磁干扰产生的不良后果

电磁干扰的产生及危害当不希望的电压和电流影响设备性能时,称之为存在电磁干扰,这些电压和电流可以通过传...

发表于 2017-11-01 16:48 4029次阅读
电磁干扰的危害及电磁干扰产生的不良后果

电磁干扰的三要素

 电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)是干扰电缆信号并降低信...

发表于 2017-11-01 16:39 651次阅读
电磁干扰的三要素

对于PCB上的表层走线,有着大学问!

很多人对于PCB走线的参考平面感到迷惑,经常有人问:对于内层走线,如果走线一侧是VCC,另一侧是GN...

发表于 2017-11-01 08:57 4362次阅读
对于PCB上的表层走线,有着大学问!

开关电源电磁兼容及RC吸收回路设计

RC吸收回路的作用,一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势进行钳位,二是抑制电路中因dV/dt对...

发表于 2017-10-24 08:58 4432次阅读
开关电源电磁兼容及RC吸收回路设计

来讲讲ESD是什么以及ESD进入电子设备的过程

许多产品设计工程师通常在产品进入到生产环节时才着手考虑抗静电释放(ESD)的问题。如果电子设备不能通...

发表于 2017-10-18 11:17 5648次阅读
来讲讲ESD是什么以及ESD进入电子设备的过程

有关PCB布局布线方面疑难问题,都全了!

然有很多软件可以实现PCB自动布局布线,但是随着信号频率不断提升,很多时候,工程师需要了解有关PCB...

发表于 2017-10-18 08:52 3089次阅读
有关PCB布局布线方面疑难问题,都全了!