交流伺服驱动单元抗干扰设计与实现

李长兵，曹章平

（广州数控信息科技有限公司，广东广州 510663）

当前，交流伺服驱动单元已广泛用于数控机床、机器人、注塑机等各个领域，伺服技术的发展对控制精度的要求越来越高，但在实际应用场合，交流伺服驱动单元所处的环境却非常恶劣，总会出现一些干扰因素，影响到伺服系统的正常工作，如对控制电源的干扰、伺服误报警等，造成加工尺寸不对、机床撞刀等，甚至威胁到人和机器的安全。

基于DSP 的交流伺服驱动单元要求数字化、智能化、小型化，通常需要将整个控制电路集成在一块电路板上，电路板密度较高，如果设计不当，电路板会产生很大的噪声，影响到伺服控制精度，严重的甚至不能实现控制目的。因此设计好电路板的电磁兼容性，减小电路中的噪声，提高伺服抗干扰能力就成了电路设计时必须考虑的问题。本文从软件设计、地线的处理以及驱动电路设计等几个方面讨论了伺服控制电路中一些电磁兼容性设计的方法，并结合多年来的实际工作经验阐述了常用的抗干扰措施，并通过实验验证了本文中改进措施的有效性。

1 系统总体设计

交流伺服驱动单元主要由按键显示、控制电路和功率电路三部分组成。按键显示部分主要功能是提供人机界面，用户可通过按键设置、修改驱动单元的参数和实时查看驱动单元的运行状态。控制部分是驱动单元的控制核心，它由DSP、FPGA 及其外围电路组成。DSP 器件选用TI公司16 位数字信号处理器TMS320LF2407，主要完成键盘扫描、显示、通信、电流环/速度环/位置环控制、SVPWM矢量调制以及转子磁场矢量控制算法等处理。FPGA 处理绝对式编码器反馈信号（协议为BISS或Endat2.2）和报警逻辑关系。功率部分主要由交-直-交功率主电路、集成驱动电路、SVPWM脉宽调制集成电路组成，其体系结构如图1所示。

图1 交流伺服驱动单元原理框图

2 原因分析

交流伺服装置作为执行机构，避免不了与油泵、空气压缩机，以及一些大型的设备仪器打交道，它们无时无刻不受到电磁的干扰，经常会碰到DSP 复位现象或者绝对式编码器数据错误报警。引起这种现象的原因，一般有三种情况：软件设计不完善、硬件抗干扰能力弱、地线和屏蔽不合理，具体表现如下。

2.1 软件设计不完善

尽管采取了硬件抗干扰措施，外界的干扰信号总是或多或少地进入数字控制系统，外部的干扰或机器内部硬件瞬间故障会使程序计数器偏离原定的值，造成程序失控、跳转错位。

2.2 硬件抗干扰能力弱

在工业控制系统中，环境比较恶劣，一些大型放电加工、高频加热设备对电网噪音污染，电气柜中大电流交直流接触器或者继电器线圈频繁吸合产生的浪涌冲击，也同样会产生噪音污染，通过电源电缆、信号电缆或者错误的接地电缆等，或多或少对伺服驱动器产生较大的干扰。另一方面，伺服系统中由于功率电路主开关器件的快速导通和关断，导致功率电路电流变化率di/dt、电压变化率du/dt 较大。它们在布线电感上产生很大的尖峰电压，叠加在开关器件两端，严重威胁开关器件的安全；另外，由于分布电感和分布电容的耦合作用，它们又会耦合到系统控制电路逻辑器件的输入端，造成控制电路误动作，使系统工作异常，甚至不能工作。

2.3 地线和屏蔽不合理

地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。

任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的[1]。

3 提升抗干扰能力的改进措施

实际应用中，电磁干扰是无处不在的，也是不可避免的。因此在设计开发的初始阶段就要规划好，从软件模块设计、硬件开发，以及PCB 布局布线等方面考虑周全，可以采取以下具体措施来提高系统的抗干扰能力。

3.1 软件抗干扰措施

软件抗干扰主要包括两方面，一是消除模拟输入信号的噪声干扰；另一方面，在数字控制系统受到干扰、程序跑飞时，使程序复位能够重新正常工作。针对上面两种情况，采取了以下抗干扰措施[2]。

（1）采用数字滤波的方法，抑制叠加在模拟输入信号上的噪声影响，防止突发性干扰。数字滤波的方法有程序判断滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、RC 低通滤波、复合数字滤波等。

（2）设立软件陷阱。外部的干扰或机器内部硬件瞬间故障会使程序计数器偏离原定的值，造成程序失控。为了避免这种情况的发生，在软件设计时，可以采用设计陷阱的方法加以克制。具体的做法是，在ROM 或RAM 中，每隔一些指令（通常为十几条指令即可），把连续的几个单元置成“NOP”，这样，当出现程序失控时，只要失控的单片机进入这众多软件陷阱中的一个，都会被捕获，连续进行几个空操作。执行这些空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。这种方法会浪费一些内存单元，但可以保证程序不会飞掉。

（3）通过软件“看门狗”技术，若失控的程序进入“死循环”，采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理，通过中断服务程序，使程序回到初始化。

（4）慎用堆栈，程序运行中经常与堆栈打交道，但堆栈操作因干扰而出错的几率较大，堆栈操作次数越多，出错几率也越大。因此，在试用堆栈操作指令时，一次不能使用太多，减少子程序的个数，特别注意不要使子程序嵌套层次太多，堆栈区的设置应远离程序区、数据区，最好单独设置，以避免影响程序的其他部分。

3.2 硬件的改进措施

（1）针对DSP芯片保护电路的改进

如图2修正电路所示，对DSP复位信号----RS 增加RC滤波是经常采用的电路，但还不够安全，要采用静电放电保护二极管等器件。TVS（Transient Voltage Suppresser）瞬态电压抑制器被放置于邻近ESD 事件可能进入系统的位置，旨在限制电磁干扰敏感节点处的电压，TVS 在正常工作电压范围内拥有高阻抗，在遭受应力期间可快速响应，从高阻抗转换到低阻抗，将电流直接从敏感节点引开，并箝位工作电路的电压，从而达到抑制瞬态脉冲干扰的目的。ESD保护器件可选用ON公司的ESD5Z3.3T1G 或TI 公司的TPD2E009 等，选用TVS 管时尽量采用电容值小的，电容值越大对TVS管影响越大[3]。

图2 DSP芯片外围保护电路

（2）针对绝对式编码器数据错误报警的改进

伺服驱动单元外接电机的绝对式编码器线根据现场的情况而定，一般采用3 m左右的8芯带屏蔽的双绞线，特殊场合需要长达30 m，甚至50 m的线缆。这就给绝对式编码器信号接收带来了很大的困难。因目前绝对式编码器信号传输都是采用串行的异步通讯模式，线缆越长，驱动单元给电机编码器提供的电源电压会下降，数据传输会产生延时，驱动单元接收数据就会产生错误。采取的措施对于软件而言，一般采用延时补偿；对于硬件，如图3所示，在芯片U2左侧输入信号端加入ESD 保护器件，增强输入线路的抗干扰能力；去掉芯片U2右侧管脚1的上拉电阻，更改线路上分压电阻比例，提高输入下路的电压，能够起到很好的抗干扰作用。

3.3 地线干扰对策

一般情况下，要解决地线干扰问题，就要解决地环路干扰以及消除公共阻抗耦合。在改进措施前，是将通信接口的公共地作为浮地处理，这样就切断了地环路，达到消除地环路电流的目的。但从安全的角度考虑，由于客户需要经常和伺服驱动单元打交道，这又不允许电路浮地；另一个问题是，尽管设备浮地，但设备与地之间还是有寄生电容，这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗，因此并不能有效地减小高频地环路电流。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50 Hz 的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流，但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰[4]。

图3 绝对式编码器接口硬件电路

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，从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线，对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施等。对于印刷线路板，合理的布局布线是提高DSP 控制系统电磁兼容性的最主要措施。实践证明，印制电路板的设计对抗干扰和保证系统的工作稳定有重要影响。工程实践中，采取以下具体改进措施。

（1）改变浮地处理方式，将系统公共地和通信地通过一个电阻连接在一起，然后将系统地和PE通过一个高压电容相连接，PE再接入机床等电位接地铜排上。

（2）改变地线覆设，PCB 布板时尽可能大面积铺铜，并且用大量过孔贯穿、连接四层PE，尽可能降低接地阻抗，干扰进入电路板就可以越快速地通过低阻抗的接地回路传导到大地。

4 结论

交流伺服驱动单元受到外界强干扰时，可能会产生严重的后果。本文粗略地分析了伺服抗干扰能力弱的几个方面原因，并针对这些问题，从软件设计、硬件设计和地线覆设等方面给出了有效的改进措施。通过对改进前后伺服的EMC 抗扰度测试，在静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、雷击浪涌抗扰度试验等方面有显著的提升，在产品的广泛应用中，伺服系统的稳定性和可靠性经受了考验，证明改进措施是行之有效的。

［1］沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［2］王玉琳.经济型数控系统的软件抗干扰技术［J］.制造业自动化，2005（4）：27-28.

［3］TMS320F28xx和TMS320F28xxx DSCs的硬件设计指南［R］.Texas Instrument.2008.

［4］成哲龙，钟玉林，孙旭东，等.用于传导电磁干扰分析的接地回路模型与参数［J］.中国电机工程学报，2005（7）：156-160.