基于DSP的電動機控制系統電磁兼容設計

趙帥

（中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410012）

在當今數字時代的背景下，DSP以其明顯的運算速度優勢和強大的數據處理能占據了廣大的市場份額，以DSP為核心的嵌入式系統在電動機控制領域得到了廣泛運用。TI公司專門為數字電機和其它控制系統而研發的TMS320C2407 DSP芯片不僅具有高速數字信號處理的結構，還具有一定的單片電機外設控制功能。但由于電動機控制系統工作環境較為惡劣，電磁干擾源較多，加上DSP本身是一個結構復雜的高頻模、數電路混合系統，嚴重影響了電動機控制系統的穩定性和安全性。為減小電磁污染，使得電動機嚴格按照人為設定的預期值運轉，必須在進行電動機控制系統開發時進行EMC設計。

1 電動機控制系統EMC分析

考慮到電動機控制系統所處環境復雜，不可避免的會受到其它設備或元件的干擾。進行電動機控制系統EMC設計是為了達到系統內各元件（模塊）在同一電磁環境中完整執行各自功能的狀態。

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干擾的自然現象或設備元件，包括信息傳導干擾源和電磁噪聲傳導干擾源；耦合途徑：向受干擾設備傳輸外界電磁干擾能量的通道或媒介；敏感設備：受到干擾影響并對干擾產生響應的元件或系統[1]。

根據電磁干擾模型這3個概念，進行EMC設計時即可從以下3個方面著手考慮：第一，減弱干擾源對外界的影響，減少其發射到外部的電磁干擾能量；其次，封鎖電動機控制系統干擾耦合途徑，降低各模塊干擾的耦合效率；最后，提高控制系統中敏感設備的抗干擾能力，降低其對EMI的敏感度，減弱其對EMI產生的響應。

1.2 電動機控制系統的電磁干擾源及干擾途徑

由于現場環境復雜，控制系統周圍存在大量的電磁干擾，可經過以下幾個途徑進入控制系統內部：一是輸入系統，使傳感器采集到的數據與實際數值相差較大；二是控制系統內部，導致程序內部指針指向不明，沒有按照人為預期進行執行，控制狀態紊亂；三是輸出系統，造成輸出信號與程序預期控制信號不一致，導致一系列嚴重后果[2]。控制系統周圍環境中的電磁干擾源主要有以下幾個：

1）感性負載：電動機中不可避免的存在電感元件，一連串的脈沖（EFT）在感性負載斷開瞬間產生，并在系統輸入端累計，最終使干擾電平的幅度超過系統元件的噪聲門限。

2）動態RAM：以電容器放電為基本原理，其正常工作狀態下放電電流峰值為100 mA，同時頻率可高達100 MHz，由此其可通過產生串擾和公共阻抗噪聲向外界造成干擾。

3）電源：由于控制系統中各個模塊工作時采用直流電源供電，而公共電網只能提供交流電源信號，系統中因此需設計一定模塊將電網中的交流電進行整流[7]。這一模塊將自身工作中時產生的電磁噪聲連同電網中的高頻噪聲一起傳送到控制系統電路板上，影響其它模塊的正常工作。

4）振蕩器及變壓器：其工作時輻射出高頻電磁波，對周圍的其它元件造成干擾。

5）PCB布線：系統電路板分層不合理，各信號走線布置不規范，在接地、去耦及屏蔽等方面設計不完善導致各模塊間相互干擾。

2 電動機控制系統EMC設計

在電動機控制系統的實際開發中，針對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，根據問題的特征提出相應的解決方案，最終提升整個系統的抗干擾能力。

2.1 硬件抗干擾技術

2.1.1 PCB設計

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，減少了電路的環路面積。接地層設計在第二層，電源層設計在第三層。高速信號選在最上層走線，低速信號選在最底層走線[3]。由于CPU的時鐘輸入端、時鐘發生器及晶振都易產生輻射噪聲，對其它部件產生影響，故在設計時使其靠近接地層。同時，時鐘電路與I/O信號線之間的距離要適當增大，或對其加以屏蔽，以減弱相互之間的影響。另外，PCB印制線方向要避免突變，盡可能使其沿一個方向延伸，否則會產生射頻干擾（RFI）。

圖1 四層PCB板設計簡圖Fig.1 Diagram of the four-lever PCB design

2.1.2 接地技術

電磁兼容設計中常采用合理的接地設計來降低EMI對設備或系統的影響，當電路的工作頻率小于1 MHz時，系統中的感性負載受到的影響雖然很小，但接地電路將會形成環流，此時需采取一點接地的方式減弱其對控制系統的影響。控制系統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，應采取多點接地方式以減弱高頻對系統的干擾。控制系統電路板在四層的基礎上分為三區，分別為模擬區、數字區及隔離通訊區。其中，為避免數字區對模擬區的干擾，應使這兩模塊分別單點接地，以削弱公共耦合[4]。同時，電源模塊需采用一點接地方式，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其它模塊造成的影響。

2.1.3 濾波設計

為減弱外部信號干擾對系統電路板的影響，應對進入其內部的信號進行過濾，在電路中適當添加電容器進行濾波，同時滿足電源所需的潔凈度[5]。根據其作用，在系統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，電源板上將產生較大的射頻電磁能量，去耦電容可有效降低流經系統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去耦電容，需連接0.1μF的集中電容器，同時應考慮這兩層間的電感及自諧振頻率；旁路電容可用來消除電源等模塊造成的高頻噪聲，從而抑制共模干擾；容納電容用來減弱由于開關閉合而引起的電壓波動，在系統開發時可和去耦電容一起進行設計和考慮，用來抑制各元件由于流經電流變化所引起的噪聲[6]。

2.1.4 屏蔽設計

屏蔽技術通過使用屏蔽體來減弱電磁干擾的影響，其主要有兩個目的，首先是避免區域內部的電磁能量泄露到外部從而影響其它的元件，其次是減弱區域外部的電磁能量對該區域內部元件的影響。在系統PCB板的制作中，應將相互干擾的信號線單獨屏蔽或盡量絞在一起以消除公共耦合[4]。由于在進行電磁屏蔽時要確保屏蔽體的導電連續性，因此可以需使用濾波連接器來進行屏蔽體的連接，在接口處進行濾波保證了屏蔽體的完備性。

2.2 軟件抗干擾技術

TMS320C2407 DSP具有豐富的指令集，其強大的功能為實現軟件抗干擾提供了良好的條件。本設計利用其提供的指令系統，編寫了相關程序，連同硬件抗干擾措施一起，提高了系統抗干擾能力。

2.2.1 數字濾波技術

通過計算機指令編寫一定程序，濾除某一頻率段信號，減少干擾在目標信號中的比重。對于周期干擾，可利用TMS320C2407 DSP內的兩個A/D轉換元件消除干擾信號；對于隨機干擾，則可運用數字濾波技術對目標信號中的干擾部分予以削弱和剔除。數字濾波技術可對小頻率信號進行處理，克服了硬件濾波器的缺陷。同時，程序運行狀態較硬件來說受外界影響較小，在工作過程中可保持穩定，出錯率較低。程序中設計了算術平均濾波模塊，提高了電動機的控制品質。

2.2.2 指令冗余技術

指在程序存儲器的適當位置寫入一些單字節指令（NOP）以及一些重要的數據表和程序作為備份，保證控制系統對電動機的可靠穩定控制。當TMS320C2407 DSP的CPU受到外界干擾后，可能會誤將一些操作數當做指令碼來執行，引起IP指針錯亂，導致電動機不按預期運轉。當CPU中的CS寄存器中的IP指針指向一單字節指令時，程序則會回到正常運行狀態。由于TMS320C2407 DSP的數據存儲以數據頁為基準，為防止程序運行紊亂，對跨頁的數據進行操作時應對數據未滿的數據頁進行填充，同時應指明數據所在的數據頁，保證電動機的有規律運轉。

2.2.3 軟件陷阱技術

指編寫相關代碼，通過一條無條件轉移指令引導處于非正常狀態運行的程序跳轉到一段對程序進行出錯處理的區域。運用指令冗余技術使跑飛的程序復位需滿足以下兩個條件，首先CS寄存器中的指針必須指向程序區，其次必須執行冗余指令，從而存在一定的局限性。設計中采用了以下3條指令構成了軟件陷阱：

2.2.4 軟件看門狗技術

看門狗定時器（WDT）的主要作用是將進入死循環的程序拉回到正常的運行程序中，使設備從故障中恢復過來。其主要模型是使用兩個定時器A和B，A對B進行監視，B對系統程序進行監視，主程序有對A進行監視，即環形中斷監視系統。當主程序正常執行時，B每經歷一次狀態周期后將計數器加1，此時A對B的工作狀態進行檢測，如果結果正常，則定期使計數器清零。WDT即為環形監視系統中的定時器B，如果主程序進入死循環，WDT得不到及時的復位從而使計數器溢出，從而引發整個控制系統的復位，使控制系統脫離死循環[4]。

3 結 論

該設計嚴格遵守電磁兼容設計的基本原則，從硬件和軟件兩方面提出了改善電動機電磁兼容的具體措施，根據模塊化設計原則采用了四層三區的電路板結構，減弱了系統內模塊的互擾，降低了控制系統對EMI的敏感度，從而使得電動機嚴格按照期望值運轉。該電動機控制系統EMI設計已經用于某型無刷直流電動機測試，實際應用表明該控制系統程序運行狀態良好，電動機運轉狀態達到了預期設計的目的。

[1]區健昌，林守霖，呂英華.電子設備的電磁兼容性設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]王亞平.DSP無刷直流電動機實驗平臺的電磁兼容設計[J].微特電機，2005（6）：14－16.WANG Ya-ping.EMC design of brushless DC motor experimental platform based on DSP[J].Samall&Special Electrical Machines，2005（6）：14－16.

[3]周超，呂劍，鄧浩.嵌入式系統電磁兼容設計研究[J].軟件導刊，2011，10（1）：21－23.ZHOU Chao，LV Jian，DENG Hao.Embedded systems electromagnetic compatibility design research[J].Softwar Guide，2011，10（1）：21－23.

[4]朱時強，殷亞龍.基于DSP的電動機電磁兼容設計[J].微電機，2010，43（3）：70－72.ZHU Shi-qiang，YIN Ya-long.Design on EMC of motor system based on DSP[J].Micromotors，2010，43（3）：70－72.

[5]蔡葒，鄒學峰，羅旸，等.淺析旁路電容的特性及其在PCB中的應用[J].電子與封裝，2010（7）：35－39.CAI Hong，ZOU Xue-feng，LUO Yang，et al.Brief analysis shunt capacitor's characteristic and application in PCB[J].Electronics&Packaging，2010（7）：35－39.

[6]李成斌，胡生清.單片機系統的電磁兼容設計[J].自動化與儀器儀表，2000（2）：28－30.LI Cheng-bin，HU Sheng-qing.Electromagnetic compatibility design of the MCU system[J].Automation&Instrumentation，2000（2）：28－30.

[7]郭晉，王寶松.基于DSP的無刷直流電機控制系統的研究[J].硅谷，2011（12）：94，118.GUO Jin，WANG Ba-song.The research of brushless dc motor control system based on DSP[J].Silicon Valley，2011（12）：94，118.