伺服控制系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)

目前電氣伺服控制系統(tǒng)中的主控制器主要是單片機(jī)芯片，檢測(cè)裝置是各種傳感器，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要實(shí)現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換功能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常使用各種力矩電機(jī)。其控制原理示意圖可以簡(jiǎn)單的用圖1的方塊圖來(lái)表示[1]。伺服技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為高精確度定位控制[2][3]，對(duì)控制精度的要求越來(lái)越高，同時(shí)隨著芯片集成技術(shù)的提高，電氣系統(tǒng)小型化也成為主流趨勢(shì)。

在小型化的需求下，通常將整個(gè)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(jì)不當(dāng)，電路板會(huì)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(shí)現(xiàn)控制目的。在電氣伺服控制系統(tǒng)中，控制電路板的噪聲也成為影響控制精度的一個(gè)重要因素。因此設(shè)計(jì)好電路板的電磁兼容性，減小電路中的噪聲也成了電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。本文從模數(shù)電路的連接、地和電源的處理、以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面討論了伺服控制電路中一些電磁兼容性設(shè)計(jì)的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文種方法的有效性。

伺服控制電路板的電磁兼容設(shè)計(jì)

在伺服控制電路中，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)是模擬信號(hào)，主控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收的則都是數(shù)字信號(hào)，電路分為模擬和數(shù)字兩部分。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，模擬電路和數(shù)字電路之間，模擬電路自身以及數(shù)字電路自身都會(huì)出現(xiàn)噪聲串?dāng)_的情況，會(huì)影響到控制精度。如何設(shè)計(jì)電路中的電磁兼容性，減小電路中的噪聲是提高控制精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。下面從幾個(gè)方面討論伺服控制電路電磁兼容性設(shè)計(jì)的一些方法，以減小電路中的噪聲，避免噪聲串?dāng)_的情況。

模擬電路和數(shù)字電路之間的連接

由于信號(hào)的性質(zhì)，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度較強(qiáng)。在模擬電路中，由于傳感器檢測(cè)到的通常為小信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大器放大，極小的噪聲電壓都會(huì)引起輸出信號(hào)的嚴(yán)重失真。在數(shù)字電路中，ttl噪聲容限為0.4v～0.6v，cmos噪聲容限為vcc的0.3～0.45，因此數(shù)字電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。數(shù)、模之間的大多數(shù)干擾是通過(guò)電源和地總線產(chǎn)生的，其中地線產(chǎn)生的噪聲干擾最大。

對(duì)于信號(hào)線來(lái)說(shuō)，高頻的信號(hào)線應(yīng)該盡可能的遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。對(duì)于電源線，數(shù)字電源和模擬電源盡可能分開(kāi)提供。對(duì)于地線來(lái)說(shuō)，整個(gè)pcb板對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，所以必須在pcb板內(nèi)部處理數(shù)、模共地的問(wèn)題。在pcb板內(nèi)部，為了避免數(shù)字地上的噪聲對(duì)模擬地產(chǎn)生干擾，通常將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，它們之間互不相連，只在pcb與外界連接的接口處有一點(diǎn)短接[4]。為了避免數(shù)字地上的高頻噪聲傳送到模擬地上，短接通過(guò)磁珠連接。磁珠可以將通過(guò)其的高頻噪聲吸收并且轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)，有效的避免了將高頻噪聲反射回去或者傳輸過(guò)去[5][6]。實(shí)驗(yàn)證明，選用通頻帶和阻抗合適的磁珠和直接單點(diǎn)連接相比，模擬地上的噪聲減小了很大一部分。

電源噪聲和地噪聲的處理

如果情況允許，pcb板盡量使用多層板，用地平面代替地線，電源平面代替電源線，電源平面和地平面要盡量相鄰，減少環(huán)路面積[4][7]。在必須使用電源線和地線的時(shí)候，要盡量加寬電源線和地線。

伺服控制電路中通常使用穩(wěn)壓模塊或者電源模塊來(lái)提供直流電源。為了減小直流電源中的交流噪聲對(duì)電子元器件產(chǎn)生干擾，在電子元器件電源的輸入端和地之間接旁路電容濾波[5][6]。為了保證濾波效果，通常使用兩個(gè)容值相差100倍的電容并聯(lián)作為旁路電容。這是為了避免在高速電路中，由于引線產(chǎn)生電感，與電容發(fā)生諧振，造成旁路電容失效的情況。一般電路中常使用10u和0.1u的電容作為旁路電容。旁路電容要盡可能的接近元器件的電源輸入端，越接近電源輸入端濾波效果越好。

a/d轉(zhuǎn)換器使用時(shí)的布線技巧

a/d轉(zhuǎn)換器中同時(shí)包括了數(shù)字部分和模擬部分，采樣/保持、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的大部分都是模擬的，電路的其余部分是數(shù)字的，因此，轉(zhuǎn)換器所需的大部分電流都用于內(nèi)部模擬電路，數(shù)字電路只需要很少的電流。轉(zhuǎn)換器可能有多個(gè)電源和地引腳。因?yàn)橐_標(biāo)號(hào)分為數(shù)字和模擬兩種，所以引腳名經(jīng)常會(huì)引起誤解。其實(shí)這些標(biāo)號(hào)并非刻意描述轉(zhuǎn)換器到pcb的連接，而是確定了數(shù)字和模擬電流如何流出芯片。因此為了避免數(shù)字電路噪聲對(duì)模擬部分的干擾，通常在模擬平面上連接a/d轉(zhuǎn)換器的所有電源和地引腳[4]。

通常從a/d轉(zhuǎn)換器引出兩種地引腳：agnd和dgnd。當(dāng)對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行布線時(shí)，agnd和dgnd都應(yīng)該連接到低噪聲的模擬地平面上。模擬和數(shù)字電源也應(yīng)該連接到模擬電源平面或者至少連接到模擬電源線，在每個(gè)電源引腳接適當(dāng)?shù)呐月冯娙荩叶弑M可能地靠近。與輸入信號(hào)有關(guān)的com引腳或in引腳應(yīng)該盡量靠近信號(hào)地連接[4]。

對(duì)于高分辨率的逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器(16位以上)，在將這些器件與單片機(jī)相連時(shí)，盡管這些類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出側(cè)有內(nèi)部雙緩沖器，還是要使用外部的三態(tài)輸出數(shù)字緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅(qū)動(dòng)能力外，還有隔模擬和數(shù)字電路的作用，可進(jìn)一步將轉(zhuǎn)換器中的模擬電路與數(shù)字總線噪聲隔離開(kāi)。這種系統(tǒng)的正確電源策略如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)電路中的電磁兼容性設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率較小，所以控制指令先通過(guò)功放(放大裝置)放大后才傳送給作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)。功放的開(kāi)關(guān)過(guò)程和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通常會(huì)帶來(lái)能量較大的高頻噪聲，對(duì)數(shù)字電路和模擬電路產(chǎn)生較大影響。因此驅(qū)動(dòng)電路需要額外考慮一些電磁兼容性的設(shè)計(jì)。

為了避免驅(qū)動(dòng)電路中的高頻噪聲對(duì)數(shù)字電路和模擬電路產(chǎn)生影響，在pcb板上單獨(dú)劃出一塊地方，作為驅(qū)動(dòng)電路的布線區(qū)域。提供獨(dú)立的電源和地給驅(qū)動(dòng)電路。該電源和地與數(shù)字電源、地和模擬電源、地都不相連。對(duì)于信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字電路之間接光耦進(jìn)行光電隔離，以保證驅(qū)動(dòng)電路中的高頻噪聲不會(huì)傳送到數(shù)字部分和模擬部分?？傊ＷC驅(qū)動(dòng)電路上所有的電源、地、信號(hào)都與電路的其它部分完全隔離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3直觀的給出了文中提及的電磁兼容性設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)前后兩次對(duì)某導(dǎo)引頭位標(biāo)器穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，在不考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)之前，模擬電路中的高頻噪聲幅值達(dá)十幾個(gè)毫伏量級(jí);采用文中所述方法進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)以后，模擬電路中的噪聲降低到5mv以下。實(shí)驗(yàn)證明，這些電磁兼容性設(shè)計(jì)方法可以有效地降低直流伺服控制電路中的噪聲，提高伺服控制的精度。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)前面討論的幾部分內(nèi)容，在直流伺服控制電路中，為了避免噪聲的串?dāng)_，提高控制精度，需要考慮以下幾個(gè)方面：數(shù)字電路和模擬電路要隔開(kāi)，數(shù)字電源、地和模擬電源、地分開(kāi)提供;數(shù)字地和模擬地之間的連接通過(guò)磁珠單點(diǎn)短接;驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)放置，電源和地單獨(dú)提供，與數(shù)字電路之間的信號(hào)傳輸通過(guò)光耦隔離。

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