基于DSP的电动机控制系统电磁兼容设计

赵帅

（中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410012）

在当今数字时代的背景下，DSP以其明显的运算速度优势和强大的数据处理能占据了广大的市场份额，以DSP为核心的嵌入式系统在电动机控制领域得到了广泛运用。TI公司专门为数字电机和其它控制系统而研发的TMS320C2407 DSP芯片不仅具有高速数字信号处理的结构，还具有一定的单片电机外设控制功能。但由于电动机控制系统工作环境较为恶劣，电磁干扰源较多，加上DSP本身是一个结构复杂的高频模、数电路混合系统，严重影响了电动机控制系统的稳定性和安全性。为减小电磁污染，使得电动机严格按照人为设定的预期值运转，必须在进行电动机控制系统开发时进行EMC设计。

1 电动机控制系统EMC分析

考虑到电动机控制系统所处环境复杂，不可避免的会受到其它设备或元件的干扰。进行电动机控制系统EMC设计是为了达到系统内各元件（模块）在同一电磁环境中完整执行各自功能的状态。

1.1 电磁干扰模型

电磁干扰模型由3部分组成，分别为电磁干扰源：向外界辐射出电磁信号干扰的自然现象或设备元件，包括信息传导干扰源和电磁噪声传导干扰源；耦合途径：向受干扰设备传输外界电磁干扰能量的通道或媒介；敏感设备：受到干扰影响并对干扰产生响应的元件或系统[1]。

根据电磁干扰模型这3个概念，进行EMC设计时即可从以下3个方面着手考虑：第一，减弱干扰源对外界的影响，减少其发射到外部的电磁干扰能量；其次，封锁电动机控制系统干扰耦合途径，降低各模块干扰的耦合效率；最后，提高控制系统中敏感设备的抗干扰能力，降低其对EMI的敏感度，减弱其对EMI产生的响应。

1.2 电动机控制系统的电磁干扰源及干扰途径

由于现场环境复杂，控制系统周围存在大量的电磁干扰，可经过以下几个途径进入控制系统内部：一是输入系统，使传感器采集到的数据与实际数值相差较大；二是控制系统内部，导致程序内部指针指向不明，没有按照人为预期进行执行，控制状态紊乱；三是输出系统，造成输出信号与程序预期控制信号不一致，导致一系列严重后果[2]。控制系统周围环境中的电磁干扰源主要有以下几个：

1）感性负载：电动机中不可避免的存在电感元件，一连串的脉冲（EFT）在感性负载断开瞬间产生，并在系统输入端累计，最终使干扰电平的幅度超过系统元件的噪声门限。

2）动态RAM：以电容器放电为基本原理，其正常工作状态下放电电流峰值为100 mA，同时频率可高达100 MHz，由此其可通过产生串扰和公共阻抗噪声向外界造成干扰。

3）电源：由于控制系统中各个模块工作时采用直流电源供电，而公共电网只能提供交流电源信号，系统中因此需设计一定模块将电网中的交流电进行整流[7]。这一模块将自身工作中时产生的电磁噪声连同电网中的高频噪声一起传送到控制系统电路板上，影响其它模块的正常工作。

4）振荡器及变压器：其工作时辐射出高频电磁波，对周围的其它元件造成干扰。

5）PCB布线：系统电路板分层不合理，各信号走线布置不规范，在接地、去耦及屏蔽等方面设计不完善导致各模块间相互干扰。

2 电动机控制系统EMC设计

在电动机控制系统的实际开发中，针对电磁干扰源和干扰途径，可以从硬件和软件两方面着手考虑，根据问题的特征提出相应的解决方案，最终提升整个系统的抗干扰能力。

2.1 硬件抗干扰技术

2.1.1 PCB设计

控制电路板采用如图1所示的四层电路板，降低了电源线和地线的阻抗，减少了电路的环路面积。接地层设计在第二层，电源层设计在第三层。高速信号选在最上层走线，低速信号选在最底层走线[3]。由于CPU的时钟输入端、时钟发生器及晶振都易产生辐射噪声，对其它部件产生影响，故在设计时使其靠近接地层。同时，时钟电路与I/O信号线之间的距离要适当增大，或对其加以屏蔽，以减弱相互之间的影响。另外，PCB印制线方向要避免突变，尽可能使其沿一个方向延伸，否则会产生射频干扰（RFI）。

图1 四层PCB板设计简图Fig.1 Diagram of the four-lever PCB design

2.1.2 接地技术

电磁兼容设计中常采用合理的接地设计来降低EMI对设备或系统的影响，当电路的工作频率小于1 MHz时，系统中的感性负载受到的影响虽然很小，但接地电路将会形成环流，此时需采取一点接地的方式减弱其对控制系统的影响。控制系统中存在部分高频元件，如振荡器和变压器等，其最高工作频率大于10 MHz，应采取多点接地方式以减弱高频对系统的干扰。控制系统电路板在四层的基础上分为三区，分别为模拟区、数字区及隔离通讯区。其中，为避免数字区对模拟区的干扰，应使这两模块分别单点接地，以削弱公共耦合[4]。同时，电源模块需采用一点接地方式，I/O缓冲器采用混合接地方式，减弱其辐射出的电磁噪声对其它模块造成的影响。

2.1.3 滤波设计

为减弱外部信号干扰对系统电路板的影响，应对进入其内部的信号进行过滤，在电路中适当添加电容器进行滤波，同时满足电源所需的洁净度[5]。根据其作用，在系统控制电路中使用的电容器主要有去耦电容、旁路电容和容纳电容等3类。由于有高频分量的存在，电源板上将产生较大的射频电磁能量，去耦电容可有效降低流经系统电路板浪涌电流的峰值，电源层和接地层紧紧相邻形成一个去耦电容，需连接0.1μF的集中电容器，同时应考虑这两层间的电感及自谐振频率；旁路电容可用来消除电源等模块造成的高频噪声，从而抑制共模干扰；容纳电容用来减弱由于开关闭合而引起的电压波动，在系统开发时可和去耦电容一起进行设计和考虑，用来抑制各元件由于流经电流变化所引起的噪声[6]。

2.1.4 屏蔽设计

屏蔽技术通过使用屏蔽体来减弱电磁干扰的影响，其主要有两个目的，首先是避免区域内部的电磁能量泄露到外部从而影响其它的元件，其次是减弱区域外部的电磁能量对该区域内部元件的影响。在系统PCB板的制作中，应将相互干扰的信号线单独屏蔽或尽量绞在一起以消除公共耦合[4]。由于在进行电磁屏蔽时要确保屏蔽体的导电连续性，因此可以需使用滤波连接器来进行屏蔽体的连接，在接口处进行滤波保证了屏蔽体的完备性。

2.2 软件抗干扰技术

TMS320C2407 DSP具有丰富的指令集，其强大的功能为实现软件抗干扰提供了良好的条件。本设计利用其提供的指令系统，编写了相关程序，连同硬件抗干扰措施一起，提高了系统抗干扰能力。

2.2.1 数字滤波技术

通过计算机指令编写一定程序，滤除某一频率段信号，减少干扰在目标信号中的比重。对于周期干扰，可利用TMS320C2407 DSP内的两个A/D转换元件消除干扰信号；对于随机干扰，则可运用数字滤波技术对目标信号中的干扰部分予以削弱和剔除。数字滤波技术可对小频率信号进行处理，克服了硬件滤波器的缺陷。同时，程序运行状态较硬件来说受外界影响较小，在工作过程中可保持稳定，出错率较低。程序中设计了算术平均滤波模块，提高了电动机的控制品质。

2.2.2 指令冗余技术

指在程序存储器的适当位置写入一些单字节指令（NOP）以及一些重要的数据表和程序作为备份，保证控制系统对电动机的可靠稳定控制。当TMS320C2407 DSP的CPU受到外界干扰后，可能会误将一些操作数当做指令码来执行，引起IP指针错乱，导致电动机不按预期运转。当CPU中的CS寄存器中的IP指针指向一单字节指令时，程序则会回到正常运行状态。由于TMS320C2407 DSP的数据存储以数据页为基准，为防止程序运行紊乱，对跨页的数据进行操作时应对数据未满的数据页进行填充，同时应指明数据所在的数据页，保证电动机的有规律运转。

2.2.3 软件陷阱技术

指编写相关代码，通过一条无条件转移指令引导处于非正常状态运行的程序跳转到一段对程序进行出错处理的区域。运用指令冗余技术使跑飞的程序复位需满足以下两个条件，首先CS寄存器中的指针必须指向程序区，其次必须执行冗余指令，从而存在一定的局限性。设计中采用了以下3条指令构成了软件陷阱：

2.2.4 软件看门狗技术

看门狗定时器（WDT）的主要作用是将进入死循环的程序拉回到正常的运行程序中，使设备从故障中恢复过来。其主要模型是使用两个定时器A和B，A对B进行监视，B对系统程序进行监视，主程序有对A进行监视，即环形中断监视系统。当主程序正常执行时，B每经历一次状态周期后将计数器加1，此时A对B的工作状态进行检测，如果结果正常，则定期使计数器清零。WDT即为环形监视系统中的定时器B，如果主程序进入死循环，WDT得不到及时的复位从而使计数器溢出，从而引发整个控制系统的复位，使控制系统脱离死循环[4]。

3 结 论

该设计严格遵守电磁兼容设计的基本原则，从硬件和软件两方面提出了改善电动机电磁兼容的具体措施，根据模块化设计原则采用了四层三区的电路板结构，减弱了系统内模块的互扰，降低了控制系统对EMI的敏感度，从而使得电动机严格按照期望值运转。该电动机控制系统EMI设计已经用于某型无刷直流电动机测试，实际应用表明该控制系统程序运行状态良好，电动机运转状态达到了预期设计的目的。

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