李長兵，曹章平

（廣州數(shù)控信息科技有限公司，廣東廣州 510663）

當(dāng)前，交流伺服驅(qū)動單元已廣泛用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、注塑機(jī)等各個領(lǐng)域，伺服技術(shù)的發(fā)展對控制精度的要求越來越高，但在實際應(yīng)用場合，交流伺服驅(qū)動單元所處的環(huán)境卻非常惡劣，總會出現(xiàn)一些干擾因素，影響到伺服系統(tǒng)的正常工作，如對控制電源的干擾、伺服誤報警等，造成加工尺寸不對、機(jī)床撞刀等，甚至威脅到人和機(jī)器的安全。

基于DSP 的交流伺服驅(qū)動單元要求數(shù)字化、智能化、小型化，通常需要將整個控制電路集成在一塊電路板上，電路板密度較高，如果設(shè)計不當(dāng)，電路板會產(chǎn)生很大的噪聲，影響到伺服控制精度，嚴(yán)重的甚至不能實現(xiàn)控制目的。因此設(shè)計好電路板的電磁兼容性，減小電路中的噪聲，提高伺服抗干擾能力就成了電路設(shè)計時必須考慮的問題。本文從軟件設(shè)計、地線的處理以及驅(qū)動電路設(shè)計等幾個方面討論了伺服控制電路中一些電磁兼容性設(shè)計的方法，并結(jié)合多年來的實際工作經(jīng)驗闡述了常用的抗干擾措施，并通過實驗驗證了本文中改進(jìn)措施的有效性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

交流伺服驅(qū)動單元主要由按鍵顯示、控制電路和功率電路三部分組成。按鍵顯示部分主要功能是提供人機(jī)界面，用戶可通過按鍵設(shè)置、修改驅(qū)動單元的參數(shù)和實時查看驅(qū)動單元的運行狀態(tài)。控制部分是驅(qū)動單元的控制核心，它由DSP、FPGA 及其外圍電路組成。DSP 器件選用TI公司16 位數(shù)字信號處理器TMS320LF2407，主要完成鍵盤掃描、顯示、通信、電流環(huán)/速度環(huán)/位置環(huán)控制、SVPWM矢量調(diào)制以及轉(zhuǎn)子磁場矢量控制算法等處理。FPGA 處理絕對式編碼器反饋信號（協(xié)議為BISS或Endat2.2）和報警邏輯關(guān)系。功率部分主要由交-直-交功率主電路、集成驅(qū)動電路、SVPWM脈寬調(diào)制集成電路組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流伺服驅(qū)動單元原理框圖

2 原因分析

交流伺服裝置作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，避免不了與油泵、空氣壓縮機(jī)，以及一些大型的設(shè)備儀器打交道，它們無時無刻不受到電磁的干擾，經(jīng)常會碰到DSP 復(fù)位現(xiàn)象或者絕對式編碼器數(shù)據(jù)錯誤報警。引起這種現(xiàn)象的原因，一般有三種情況：軟件設(shè)計不完善、硬件抗干擾能力弱、地線和屏蔽不合理，具體表現(xiàn)如下。

2.1 軟件設(shè)計不完善

盡管采取了硬件抗干擾措施，外界的干擾信號總是或多或少地進(jìn)入數(shù)字控制系統(tǒng)，外部的干擾或機(jī)器內(nèi)部硬件瞬間故障會使程序計數(shù)器偏離原定的值，造成程序失控、跳轉(zhuǎn)錯位。

2.2 硬件抗干擾能力弱

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，環(huán)境比較惡劣，一些大型放電加工、高頻加熱設(shè)備對電網(wǎng)噪音污染，電氣柜中大電流交直流接觸器或者繼電器線圈頻繁吸合產(chǎn)生的浪涌沖擊，也同樣會產(chǎn)生噪音污染，通過電源電纜、信號電纜或者錯誤的接地電纜等，或多或少對伺服驅(qū)動器產(chǎn)生較大的干擾。另一方面，伺服系統(tǒng)中由于功率電路主開關(guān)器件的快速導(dǎo)通和關(guān)斷，導(dǎo)致功率電路電流變化率di/dt、電壓變化率du/dt 較大。它們在布線電感上產(chǎn)生很大的尖峰電壓，疊加在開關(guān)器件兩端，嚴(yán)重威脅開關(guān)器件的安全；另外，由于分布電感和分布電容的耦合作用，它們又會耦合到系統(tǒng)控制電路邏輯器件的輸入端，造成控制電路誤動作，使系統(tǒng)工作異常，甚至不能工作。

2.3 地線和屏蔽不合理

地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時，會在地線上產(chǎn)生電壓，在這個電壓的驅(qū)動下，會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合。

任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻。在實際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。對于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的[1]。

3 提升抗干擾能力的改進(jìn)措施

實際應(yīng)用中，電磁干擾是無處不在的，也是不可避免的。因此在設(shè)計開發(fā)的初始階段就要規(guī)劃好，從軟件模塊設(shè)計、硬件開發(fā)，以及PCB 布局布線等方面考慮周全，可以采取以下具體措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.1 軟件抗干擾措施

軟件抗干擾主要包括兩方面，一是消除模擬輸入信號的噪聲干擾；另一方面，在數(shù)字控制系統(tǒng)受到干擾、程序跑飛時，使程序復(fù)位能夠重新正常工作。針對上面兩種情況，采取了以下抗干擾措施[2]。

（1）采用數(shù)字濾波的方法，抑制疊加在模擬輸入信號上的噪聲影響，防止突發(fā)性干擾。數(shù)字濾波的方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動平均濾波、RC 低通濾波、復(fù)合數(shù)字濾波等。

（2）設(shè)立軟件陷阱。外部的干擾或機(jī)器內(nèi)部硬件瞬間故障會使程序計數(shù)器偏離原定的值，造成程序失控。為了避免這種情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計時，可以采用設(shè)計陷阱的方法加以克制。具體的做法是，在ROM 或RAM 中，每隔一些指令（通常為十幾條指令即可），把連續(xù)的幾個單元置成“NOP”，這樣，當(dāng)出現(xiàn)程序失控時，只要失控的單片機(jī)進(jìn)入這眾多軟件陷阱中的一個，都會被捕獲，連續(xù)進(jìn)行幾個空操作。執(zhí)行這些空操作后，程序自動恢復(fù)正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。這種方法會浪費一些內(nèi)存單元，但可以保證程序不會飛掉。

（3）通過軟件“看門狗”技術(shù)，若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯處理，通過中斷服務(wù)程序，使程序回到初始化。

（4）慎用堆棧，程序運行中經(jīng)常與堆棧打交道，但堆棧操作因干擾而出錯的幾率較大，堆棧操作次數(shù)越多，出錯幾率也越大。因此，在試用堆棧操作指令時，一次不能使用太多，減少子程序的個數(shù)，特別注意不要使子程序嵌套層次太多，堆棧區(qū)的設(shè)置應(yīng)遠(yuǎn)離程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)，最好單獨設(shè)置，以避免影響程序的其他部分。

3.2 硬件的改進(jìn)措施

（1）針對DSP芯片保護(hù)電路的改進(jìn)

如圖2修正電路所示，對DSP復(fù)位信號----RS 增加RC濾波是經(jīng)常采用的電路，但還不夠安全，要采用靜電放電保護(hù)二極管等器件。TVS（Transient Voltage Suppresser）瞬態(tài)電壓抑制器被放置于鄰近ESD 事件可能進(jìn)入系統(tǒng)的位置，旨在限制電磁干擾敏感節(jié)點處的電壓，TVS 在正常工作電壓范圍內(nèi)擁有高阻抗，在遭受應(yīng)力期間可快速響應(yīng)，從高阻抗轉(zhuǎn)換到低阻抗，將電流直接從敏感節(jié)點引開，并箝位工作電路的電壓，從而達(dá)到抑制瞬態(tài)脈沖干擾的目的。ESD保護(hù)器件可選用ON公司的ESD5Z3.3T1G 或TI 公司的TPD2E009 等，選用TVS 管時盡量采用電容值小的，電容值越大對TVS管影響越大[3]。

圖2 DSP芯片外圍保護(hù)電路

（2）針對絕對式編碼器數(shù)據(jù)錯誤報警的改進(jìn)

伺服驅(qū)動單元外接電機(jī)的絕對式編碼器線根據(jù)現(xiàn)場的情況而定，一般采用3 m左右的8芯帶屏蔽的雙絞線，特殊場合需要長達(dá)30 m，甚至50 m的線纜。這就給絕對式編碼器信號接收帶來了很大的困難。因目前絕對式編碼器信號傳輸都是采用串行的異步通訊模式，線纜越長，驅(qū)動單元給電機(jī)編碼器提供的電源電壓會下降，數(shù)據(jù)傳輸會產(chǎn)生延時，驅(qū)動單元接收數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生錯誤。采取的措施對于軟件而言，一般采用延時補償；對于硬件，如圖3所示，在芯片U2左側(cè)輸入信號端加入ESD 保護(hù)器件，增強(qiáng)輸入線路的抗干擾能力；去掉芯片U2右側(cè)管腳1的上拉電阻，更改線路上分壓電阻比例，提高輸入下路的電壓，能夠起到很好的抗干擾作用。

3.3 地線干擾對策

一般情況下，要解決地線干擾問題，就要解決地環(huán)路干擾以及消除公共阻抗耦合。在改進(jìn)措施前，是將通信接口的公共地作為浮地處理，這樣就切斷了地環(huán)路，達(dá)到消除地環(huán)路電流的目的。但從安全的角度考慮，由于客戶需要經(jīng)常和伺服驅(qū)動單元打交道，這又不允許電路浮地；另一個問題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個電容在頻率較高時會提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。這時可以考慮將設(shè)備通過一個電感接地。這樣對于50 Hz 的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流，但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾[4]。

圖3 絕對式編碼器接口硬件電路

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個，一個是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線，對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施等。對于印刷線路板，合理的布局布線是提高DSP 控制系統(tǒng)電磁兼容性的最主要措施。實踐證明，印制電路板的設(shè)計對抗干擾和保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定有重要影響。工程實踐中，采取以下具體改進(jìn)措施。

（1）改變浮地處理方式，將系統(tǒng)公共地和通信地通過一個電阻連接在一起，然后將系統(tǒng)地和PE通過一個高壓電容相連接，PE再接入機(jī)床等電位接地銅排上。

（2）改變地線覆設(shè)，PCB 布板時盡可能大面積鋪銅，并且用大量過孔貫穿、連接四層PE，盡可能降低接地阻抗，干擾進(jìn)入電路板就可以越快速地通過低阻抗的接地回路傳導(dǎo)到大地。

4 結(jié)論

交流伺服驅(qū)動單元受到外界強(qiáng)干擾時，可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。本文粗略地分析了伺服抗干擾能力弱的幾個方面原因，并針對這些問題，從軟件設(shè)計、硬件設(shè)計和地線覆設(shè)等方面給出了有效的改進(jìn)措施。通過對改進(jìn)前后伺服的EMC 抗擾度測試，在靜電放電抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、雷擊浪涌抗擾度試驗等方面有顯著的提升，在產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用中，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性經(jīng)受了考驗，證明改進(jìn)措施是行之有效的。

［1］沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［2］王玉琳.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)［J］.制造業(yè)自動化，2005（4）：27-28.

［3］TMS320F28xx和TMS320F28xxx DSCs的硬件設(shè)計指南［R］.Texas Instrument.2008.

［4］成哲龍，鐘玉林，孫旭東，等.用于傳導(dǎo)電磁干擾分析的接地回路模型與參數(shù)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005（7）：156-160.