伺服电机静电防护完整方案

伺服电机静电防护完整方案

伺服电机是一种能够将电能转换为机械能的装置，通过接收控制信号来实现对电机转速、转向和位置的控制。它具有高精度、高速度和高效率的特点，能够将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象。伺服电机的类型多种多样，广泛应用于机器人、医学成像、实验室自动化、食品和饮料生产、金属成型等工业领域。

伺服电机的应用环境比较复杂，可能会出现各种形式的干扰源，工作时负载与传动系统之间的摩擦也会产生静电，静电电荷如果不能及时释放，会聚积在伺服电机内部，形成静电场，还可能对伺服电机的电子元件造成损害。本文基于伺服电机系统的各模块电路进行分解，介绍适合伺服电机系统的防护方案以及防护器件推荐。

伺服电机系统介绍

伺服电机的工作原理可以简单概括为：输入控制信号→伺服控制器→伺服电机→输出运动。伺服系统由伺服电机、伺服控制器和反馈装置三部分组成。伺服电机接收到一个脉冲信号后，会旋转到一个与脉冲对应的角度，从而实现位移。同时，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，因此每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲信号，以实现精确的闭环控制。驱动器为电机供电时，反馈装置会对转子的速率和位置进行监测。驱动器通过控制电路接收此类信号并持续对提供给电机的电流和电压进行调整，从而能够即时纠正偏差，确保毫无误差地执行编程运动。

控制模块

控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。所采用的数字信号处理器除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理（ FOC） 和坐标变换，实现矢量控制（VC） ，同时结合正弦波脉宽调制（SPWM）控制模式对电机进行控制。

驱动模块

电机系统内有相应的反馈机制，通过简单耐用的霍尔效应传感器、能适应极端环境的旋转变压器、高精度光学编码器以及其他可选装置确保运行。转矩密度大、惯量小的伺服电机具备更佳的动态响应表现，能够提升机器的生产率。伺服电机的设计和型号种类繁多，包括：交流电机 (AC)和直流电机 (DC)；刷电机和无刷电机；框电机、无框电机和模块化电机；以及其他可选电机。

电源模块

电源驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的转化过程。

可用物料汇总

应用模块	产品类别	封装	器件型号
通信保护	ESD	DFN2510‐10L	SEUC10F5V4U
		SOT23-6L	SEUC236T5V4UB
SR&电驱	MOS	TO-220	ESGNU15R15
		PDFN5*6-8L	ESNJ04R042
		PDFN5*6-8L	ESN6512
电源保护	TVS	SMB	SMBJXXCA
CAN	ESD	SOT-23	SENC23T24V2BD
		SOT-23	SENC23T24V2BC
	TVS	SMA	SMAJ24CA
485	IC	SOP-8	ES3088E
	ESD	SOT-23	SENC712A
		SOT-23	SENC712HA

应用示例

驱动模块

MOSFET在电机驱动中还可以作为电源开关，通过控制其导通和截止状态来调节电机的供电电压。由于电机的转速与供电电压成正比，因此通过调节电压可以实现对电机转速的精确控制。这种控制方式在直流电机和交流电机驱动中均得到广泛应用。除此之外，在电机运行过程中，过流和过热是常见的故障模式。MOSFET具有快速的电流响应能力和热稳定性，因此可以用于电流保护。通过监测电机的电流和MOSFET的温度，可以及时发现并处理过流和过热情况，从而保护电机和MOSFET免受损坏。

CAN芯片

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。目前很多伺服电机内部都提供了CAN总线接口，使其很容易挂接到CAN总线上，通过CAN总线进行数据传输与控制，拓展了伺服电机的功能与应用范围,使伺服电机能更好更灵活地应用于现代工业控制系统中。以下我们提供两种CAN总线的应用方案。

方案一：

我们同时推荐湖南静芯研发的SENC23T24V2BD和SENC23T24V2BC作为CAN总线的防护器件，这是两款用于防止静电放电、过压等瞬态事件ESD防护器件。两款器件内部都集成了两路对称电压24V的ESD防护器件，电气特性相似，封装相同，其中SENC23T24V2BD防护性能更优异，峰值功率(PPK 680W)和峰值电流（IPP 16A）更高。

SENC23T24V2BC本身寄生电容仅为18pf，IPP（峰值脉冲电流）为8A，钳位电压为43V；SENC23T24V2BD本身寄生电容为40pf，IPP（峰值脉冲电流）为16A，钳位电压为45V。低钳位电压可为主芯片提供极优的静电保护效果，两款器件都符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4规范，在 ±15kV（空气）和 ±8kV（接触）下提供瞬变保护，客户可根据接口实际性能进行选取。

方案二：

在方案二中我们为CAN总线防护提供了另一种防护方案，在CANH和CANL两条线上分别加上一个TVS（半导体放电管），型号为SMAJ24CA。该器件响应速度快、钳位电压低，其钳位电压仅为38.9V，能迅速将静电放电能量引导至地，将电压钳制在安全范围内，可保护CAN总线免受静电放电（ESD）和浪涌事件的冲击与干扰。

485芯片

在伺服驱动器的通信接口芯片应用中，一般会采用RS-485通信协议同外界进行信号的通信传输，主要考虑到RS-485收发器具有更强的耐用性、高可靠性和强抗干扰等特性，另外伺服驱动器的应用环境比较复杂，应用场景经常会出现各种形式的干扰源，因此RS-485接口需要保护内部转接线应用一定要加有保护措施,免于受到静电冲击。

RS485是一种重要的串行数据通信接口标准，湖南静芯研发的ES3088E是常用于RS485通信的差分线驱动器/接收器芯片。它通常用于将单端信号转换为差分信号，以便在长距离或高噪声环境中进行传输，同时也能接收差分信号并转换为单端信号。当两芯片进行差分信号的发送和接收时，将ESD防护器件连接于差分信号线之间，增强电路的可靠性和抗干扰能力。

SENC712A和SENC712HA是两款专用于485防护的ESD器件，两款器件电气特性相似，工作电压为7/12V，均能满足IEC 61000-4-2 Level 4（±15kV空气放电、±8kV接触放电）静电防护标准及IEC 61000-4-5雷击浪涌防护需求。但其中SENC712HA防护性能更优异，峰值功率(PPK)和峰值电流（IPP）更高，可根据接口实际性能进行选取。

总结与结论

伺服电机在工业自动化领域应用广泛，几乎涵盖了工业自动化和控制的方方面面。通过使用防静电材料和设计防静电结构，可以减少静电对伺服电机内部电子元件的损害，延长电机的使用寿命，有助于减少静电对伺服电机工作状态的干扰，提高电机的稳定性和可靠性。

以上是湖南静芯的伺服电机系统静电防护完整方案，希望能对伺服电机系统设计带来帮助。湖南静芯研发各种电容等级的ESD和TVS保护器件，可按照客户需求性能与封装提供定制化开发服务，为各种接口及通信线路提供值得信赖的保护器件，欢迎前来咨询。

审核编辑 黄宇