趙帥

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

在當(dāng)今數(shù)字時(shí)代的背景下，DSP以其明顯的運(yùn)算速度優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能占據(jù)了廣大的市場(chǎng)份額，以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。TI公司專門為數(shù)字電機(jī)和其它控制系統(tǒng)而研發(fā)的TMS320C2407 DSP芯片不僅具有高速數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)，還具有一定的單片電機(jī)外設(shè)控制功能。但由于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)工作環(huán)境較為惡劣，電磁干擾源較多，加上DSP本身是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高頻模、數(shù)電路混合系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。為減小電磁污染，使得電動(dòng)機(jī)嚴(yán)格按照人為設(shè)定的預(yù)期值運(yùn)轉(zhuǎn)，必須在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)。

1 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)EMC分析

考慮到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)所處環(huán)境復(fù)雜，不可避免的會(huì)受到其它設(shè)備或元件的干擾。進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)是為了達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)各元件（模塊）在同一電磁環(huán)境中完整執(zhí)行各自功能的狀態(tài)。

1.1 電磁干擾模型

電磁干擾模型由3部分組成，分別為電磁干擾源：向外界輻射出電磁信號(hào)干擾的自然現(xiàn)象或設(shè)備元件，包括信息傳導(dǎo)干擾源和電磁噪聲傳導(dǎo)干擾源；耦合途徑：向受干擾設(shè)備傳輸外界電磁干擾能量的通道或媒介；敏感設(shè)備：受到干擾影響并對(duì)干擾產(chǎn)生響應(yīng)的元件或系統(tǒng)[1]。

根據(jù)電磁干擾模型這3個(gè)概念，進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)即可從以下3個(gè)方面著手考慮：第一，減弱干擾源對(duì)外界的影響，減少其發(fā)射到外部的電磁干擾能量；其次，封鎖電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)干擾耦合途徑，降低各模塊干擾的耦合效率；最后，提高控制系統(tǒng)中敏感設(shè)備的抗干擾能力，降低其對(duì)EMI的敏感度，減弱其對(duì)EMI產(chǎn)生的響應(yīng)。

1.2 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的電磁干擾源及干擾途徑

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，控制系統(tǒng)周圍存在大量的電磁干擾，可經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)途徑進(jìn)入控制系統(tǒng)內(nèi)部：一是輸入系統(tǒng)，使傳感器采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值相差較大；二是控制系統(tǒng)內(nèi)部，導(dǎo)致程序內(nèi)部指針指向不明，沒(méi)有按照人為預(yù)期進(jìn)行執(zhí)行，控制狀態(tài)紊亂；三是輸出系統(tǒng)，造成輸出信號(hào)與程序預(yù)期控制信號(hào)不一致，導(dǎo)致一系列嚴(yán)重后果[2]?？刂葡到y(tǒng)周圍環(huán)境中的電磁干擾源主要有以下幾個(gè)：

1）感性負(fù)載：電動(dòng)機(jī)中不可避免的存在電感元件，一連串的脈沖（EFT）在感性負(fù)載斷開(kāi)瞬間產(chǎn)生，并在系統(tǒng)輸入端累計(jì)，最終使干擾電平的幅度超過(guò)系統(tǒng)元件的噪聲門限。

2）動(dòng)態(tài)RAM：以電容器放電為基本原理，其正常工作狀態(tài)下放電電流峰值為100 mA，同時(shí)頻率可高達(dá)100 MHz，由此其可通過(guò)產(chǎn)生串?dāng)_和公共阻抗噪聲向外界造成干擾。

3）電源：由于控制系統(tǒng)中各個(gè)模塊工作時(shí)采用直流電源供電，而公共電網(wǎng)只能提供交流電源信號(hào)，系統(tǒng)中因此需設(shè)計(jì)一定模塊將電網(wǎng)中的交流電進(jìn)行整流[7]。這一模塊將自身工作中時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲連同電網(wǎng)中的高頻噪聲一起傳送到控制系統(tǒng)電路板上，影響其它模塊的正常工作。

4）振蕩器及變壓器：其工作時(shí)輻射出高頻電磁波，對(duì)周圍的其它元件造成干擾。

5）PCB布線：系統(tǒng)電路板分層不合理，各信號(hào)走線布置不規(guī)范，在接地、去耦及屏蔽等方面設(shè)計(jì)不完善導(dǎo)致各模塊間相互干擾。

2 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)

在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)中，針對(duì)電磁干擾源和干擾途徑，可以從硬件和軟件兩方面著手考慮，根據(jù)問(wèn)題的特征提出相應(yīng)的解決方案，最終提升整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.1 硬件抗干擾技術(shù)

2.1.1 PCB設(shè)計(jì)

控制電路板采用如圖1所示的四層電路板，降低了電源線和地線的阻抗，減少了電路的環(huán)路面積。接地層設(shè)計(jì)在第二層，電源層設(shè)計(jì)在第三層。高速信號(hào)選在最上層走線，低速信號(hào)選在最底層走線[3]。由于CPU的時(shí)鐘輸入端、時(shí)鐘發(fā)生器及晶振都易產(chǎn)生輻射噪聲，對(duì)其它部件產(chǎn)生影響，故在設(shè)計(jì)時(shí)使其靠近接地層。同時(shí)，時(shí)鐘電路與I/O信號(hào)線之間的距離要適當(dāng)增大，或?qū)ζ浼右云帘?，以減弱相互之間的影響。另外，PCB印制線方向要避免突變，盡可能使其沿一個(gè)方向延伸，否則會(huì)產(chǎn)生射頻干擾（RFI）。

圖1 四層PCB板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of the four-lever PCB design

2.1.2 接地技術(shù)

電磁兼容設(shè)計(jì)中常采用合理的接地設(shè)計(jì)來(lái)降低EMI對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)的影響，當(dāng)電路的工作頻率小于1 MHz時(shí)，系統(tǒng)中的感性負(fù)載受到的影響雖然很小，但接地電路將會(huì)形成環(huán)流，此時(shí)需采取一點(diǎn)接地的方式減弱其對(duì)控制系統(tǒng)的影響?？刂葡到y(tǒng)中存在部分高頻元件，如振蕩器和變壓器等，其最高工作頻率大于10 MHz，應(yīng)采取多點(diǎn)接地方式以減弱高頻對(duì)系統(tǒng)的干擾?？刂葡到y(tǒng)電路板在四層的基礎(chǔ)上分為三區(qū)，分別為模擬區(qū)、數(shù)字區(qū)及隔離通訊區(qū)。其中，為避免數(shù)字區(qū)對(duì)模擬區(qū)的干擾，應(yīng)使這兩模塊分別單點(diǎn)接地，以削弱公共耦合[4]。同時(shí)，電源模塊需采用一點(diǎn)接地方式，I/O緩沖器采用混合接地方式，減弱其輻射出的電磁噪聲對(duì)其它模塊造成的影響。

2.1.3 濾波設(shè)計(jì)

為減弱外部信號(hào)干擾對(duì)系統(tǒng)電路板的影響，應(yīng)對(duì)進(jìn)入其內(nèi)部的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，在電路中適當(dāng)添加電容器進(jìn)行濾波，同時(shí)滿足電源所需的潔凈度[5]。根據(jù)其作用，在系統(tǒng)控制電路中使用的電容器主要有去耦電容、旁路電容和容納電容等3類。由于有高頻分量的存在，電源板上將產(chǎn)生較大的射頻電磁能量，去耦電容可有效降低流經(jīng)系統(tǒng)電路板浪涌電流的峰值，電源層和接地層緊緊相鄰形成一個(gè)去耦電容，需連接0.1μF的集中電容器，同時(shí)應(yīng)考慮這兩層間的電感及自諧振頻率；旁路電容可用來(lái)消除電源等模塊造成的高頻噪聲，從而抑制共模干擾；容納電容用來(lái)減弱由于開(kāi)關(guān)閉合而引起的電壓波動(dòng)，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)可和去耦電容一起進(jìn)行設(shè)計(jì)和考慮，用來(lái)抑制各元件由于流經(jīng)電流變化所引起的噪聲[6]。

2.1.4 屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽技術(shù)通過(guò)使用屏蔽體來(lái)減弱電磁干擾的影響，其主要有兩個(gè)目的，首先是避免區(qū)域內(nèi)部的電磁能量泄露到外部從而影響其它的元件，其次是減弱區(qū)域外部的電磁能量對(duì)該區(qū)域內(nèi)部元件的影響。在系統(tǒng)PCB板的制作中，應(yīng)將相互干擾的信號(hào)線單獨(dú)屏蔽或盡量絞在一起以消除公共耦合[4]。由于在進(jìn)行電磁屏蔽時(shí)要確保屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，因此可以需使用濾波連接器來(lái)進(jìn)行屏蔽體的連接，在接口處進(jìn)行濾波保證了屏蔽體的完備性。

2.2 軟件抗干擾技術(shù)

TMS320C2407 DSP具有豐富的指令集，其強(qiáng)大的功能為實(shí)現(xiàn)軟件抗干擾提供了良好的條件。本設(shè)計(jì)利用其提供的指令系統(tǒng)，編寫(xiě)了相關(guān)程序，連同硬件抗干擾措施一起，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

2.2.1 數(shù)字濾波技術(shù)

通過(guò)計(jì)算機(jī)指令編寫(xiě)一定程序，濾除某一頻率段信號(hào)，減少干擾在目標(biāo)信號(hào)中的比重。對(duì)于周期干擾，可利用TMS320C2407 DSP內(nèi)的兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換元件消除干擾信號(hào)；對(duì)于隨機(jī)干擾，則可運(yùn)用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)目標(biāo)信號(hào)中的干擾部分予以削弱和剔除。數(shù)字濾波技術(shù)可對(duì)小頻率信號(hào)進(jìn)行處理，克服了硬件濾波器的缺陷。同時(shí)，程序運(yùn)行狀態(tài)較硬件來(lái)說(shuō)受外界影響較小，在工作過(guò)程中可保持穩(wěn)定，出錯(cuò)率較低。程序中設(shè)計(jì)了算術(shù)平均濾波模塊，提高了電動(dòng)機(jī)的控制品質(zhì)。

2.2.2 指令冗余技術(shù)

指在程序存儲(chǔ)器的適當(dāng)位置寫(xiě)入一些單字節(jié)指令（NOP）以及一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，保證控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的可靠穩(wěn)定控制。當(dāng)TMS320C2407 DSP的CPU受到外界干擾后，可能會(huì)誤將一些操作數(shù)當(dāng)做指令碼來(lái)執(zhí)行，引起IP指針錯(cuò)亂，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不按預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)CPU中的CS寄存器中的IP指針指向一單字節(jié)指令時(shí)，程序則會(huì)回到正常運(yùn)行狀態(tài)。由于TMS320C2407 DSP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以數(shù)據(jù)頁(yè)為基準(zhǔn)，為防止程序運(yùn)行紊亂，對(duì)跨頁(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)未滿的數(shù)據(jù)頁(yè)進(jìn)行填充，同時(shí)應(yīng)指明數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)頁(yè)，保證電動(dòng)機(jī)的有規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.3 軟件陷阱技術(shù)

指編寫(xiě)相關(guān)代碼，通過(guò)一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令引導(dǎo)處于非正常狀態(tài)運(yùn)行的程序跳轉(zhuǎn)到一段對(duì)程序進(jìn)行出錯(cuò)處理的區(qū)域。運(yùn)用指令冗余技術(shù)使跑飛的程序復(fù)位需滿足以下兩個(gè)條件，首先CS寄存器中的指針必須指向程序區(qū)，其次必須執(zhí)行冗余指令，從而存在一定的局限性。設(shè)計(jì)中采用了以下3條指令構(gòu)成了軟件陷阱：

2.2.4 軟件看門狗技術(shù)

看門狗定時(shí)器（WDT）的主要作用是將進(jìn)入死循環(huán)的程序拉回到正常的運(yùn)行程序中，使設(shè)備從故障中恢復(fù)過(guò)來(lái)。其主要模型是使用兩個(gè)定時(shí)器A和B，A對(duì)B進(jìn)行監(jiān)視，B對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行監(jiān)視，主程序有對(duì)A進(jìn)行監(jiān)視，即環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。當(dāng)主程序正常執(zhí)行時(shí)，B每經(jīng)歷一次狀態(tài)周期后將計(jì)數(shù)器加1，此時(shí)A對(duì)B的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果結(jié)果正常，則定期使計(jì)數(shù)器清零。WDT即為環(huán)形監(jiān)視系統(tǒng)中的定時(shí)器B，如果主程序進(jìn)入死循環(huán)，WDT得不到及時(shí)的復(fù)位從而使計(jì)數(shù)器溢出，從而引發(fā)整個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)位，使控制系統(tǒng)脫離死循環(huán)[4]。

3 結(jié) 論

該設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵守電磁兼容設(shè)計(jì)的基本原則，從硬件和軟件兩方面提出了改善電動(dòng)機(jī)電磁兼容的具體措施，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則采用了四層三區(qū)的電路板結(jié)構(gòu)，減弱了系統(tǒng)內(nèi)模塊的互擾，降低了控制系統(tǒng)對(duì)EMI的敏感度，從而使得電動(dòng)機(jī)嚴(yán)格按照期望值運(yùn)轉(zhuǎn)。該電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)EMI設(shè)計(jì)已經(jīng)用于某型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用表明該控制系統(tǒng)程序運(yùn)行狀態(tài)良好，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。

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