伺服控制電路的電磁兼容設計

　　摘要：目前電氣伺服控制系統中的主控制器主要是單片機芯片，檢測裝置是各種傳感器，信號轉換電路主要實現a/d轉換功能，執行機構通常使用各種力矩電機。在小型化的需求下，通常將整個控制電路集成在一塊電路板上，電路板密度較高。如果設計不當，電路板會產生很大的噪聲，影響到伺服控制精度，嚴重的甚至不能實現控制目的。本文從模數電路的連接、地和電源的處理、以及驅動電路設計等幾個方面討論了伺服控制電路中一些電磁兼容性設計的方法，并通過實驗驗證了文種方法的有效性。　　
　　目前電氣伺服控制系統中的主控制器主要是單片機芯片，檢測裝置是各種傳感器，信號轉換電路主要實現a/d轉換功能，執行機構通常使用各種力矩電機。其控制原理示意圖可以簡單的用圖1的方塊圖來表示。伺服技術已經發展為高度定位控制，對控制精度的要求越來越高，同時隨著芯片集成技術的提高，電氣系統小型化也成為主流趨勢。
　　
　　在小型化的需求下，通常將整個控制電路集成在一塊電路板上，電路板密度較高。如果設計不當，電路板會產生很大的噪聲，影響到伺服控制精度，嚴重的甚至不能實現控制目的。在電氣伺服控制系統中，控制電路板的噪聲也成為影響控制精度的一個重要因素。因此設計好電路板的電磁兼容性，減小電路中的噪聲也成了電路設計時必須考慮的問題。本文從模數電路的連接、地和電源的處理、以及驅動電路設計等幾個方面討論了伺服控制電路中一些電磁兼容性設計的方法，并通過實驗驗證了文種方法的有效性。
　　
　　伺服控制電路板的電磁兼容設計
　　
　　在伺服控制電路中，傳感器檢測到的信號是模擬信號，主控制器和執行機構接收的則都是數字信號，電路分為模擬和數字兩部分。如果設計不當，模擬電路和數字電路之間，模擬電路自身以及數字電路自身都會出現噪聲串擾的情況，會影響到控制精度。如何設計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重要環節。下面從幾個方面討論伺服控制電路電磁兼容性設計的一些方法，以減小電路中的噪聲，避免噪聲串擾的情況。
　　
　　模擬電路和數字電路之間的連接
　　
　　由于信號的性質，數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度較強。在模擬電路中，由于傳感器檢測到的通常為小信號，需要經過放大器放大，極小的噪聲電壓都會引起輸出信號的嚴重失真。在數字電路中，ttl噪聲容限為0.4v～0.6v，cmos噪聲容限為vcc的0.3～0.45，因此數字電路具有較強的抗*力。數、模之間的大多數干擾是通過電源和地總線產生的，其中地線產生的噪聲干擾zui大。
　　
　　對于信號線來說，高頻的信號線應該盡可能的遠離敏感的模擬電路器件。對于電源線，數字電源和模擬電源盡可能分開提供。對于地線來說，整個pcb板對外界只有一個結點，所以必須在pcb板內部處理數、模共地的問題。在pcb板內部，為了避免數字地上的噪聲對模擬地產生干擾，通常將數字地和模擬地分開，它們之間互不相連，只在pcb與外界連接的接口處有一點短接。為了避免數字地上的高頻噪聲傳送到模擬地上，短接通過磁珠連接。磁珠可以將通過其的高頻噪聲吸收并且轉化成熱能散發，有效的避免了將高頻噪聲反射回去或者傳輸過去。實驗證明，選用通頻帶和阻抗合適的磁珠和直接單點連接相比，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，減少環路面積。在必須使用電源線和地線的時候，要盡量加寬電源線和地線。
　　
　　伺服控制電路中通常使用穩壓模塊或者電源模塊來提供直流電源。為了減小直流電源中的交流噪聲對電子元器件產生干擾，在電子元器件電源的輸入端和地之間接旁路電容濾波。為了保證濾波效果，通常使用兩個容值相差100倍的電容并聯作為旁路電容。這是為了避免在高速電路中，由于引線產生電感，與電容發生諧振，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轉換器使用時的布線技巧
　　
　　a/d轉換器中同時包括了數字部分和模擬部分，采樣/保持、比較器、數模轉換器的大部分都是模擬的，電路的其余部分是數字的，因此，轉換器所需的大部分電流都用于內部模擬電路，數字電路只需要很少的電流。轉換器可能有多個電源和地引腳。因為引腳標號分為數字和模擬兩種，所以引腳名經常會引起誤解。其實這些標號并非刻意描述轉換器到pcb的連接，而是確定了數字和模擬電流如何流出芯片。
　　
　　因此為了避免數字電路噪聲對模擬部分的干擾，通常在模擬平面上連接a/d轉換器的所有電源和地引腳。通常從a/d轉換器引出兩種地引腳：agnd和dgnd。當對a/d轉換器進行布線時，agnd和dgnd都應該連接到低噪聲的模擬地平面上。模擬和數字電源也應該連接到模擬電源平面或者至少連接到模擬電源線，在每個電源引腳接適當的旁路電容，且二者盡可能地靠近。與輸入信號有關的com引腳或in引腳應該盡量靠近信號地連接。
　　
　　對于高分辨率的逐次逼近型a/d轉換器（16位以上），在將這些器件與單片機相連時，盡管這些類型的轉換器通常在數字輸出側有內部雙緩沖器，還是要使用外部的三態輸出數字緩沖器緩沖。這些緩沖器除了具有高驅動能力外，還有隔模擬和數字電路的作用，可進一步將轉換器中的模擬電路與數字總線噪聲隔離開。這種系統的正確電源策略如圖2所示。　　
　　驅動電路中的電磁兼容性設計
　　
　　由于單片機給出的驅動信號功率較小，所以控制指令先通過功放（放大裝置）放大后才傳送給作為驅動機構的電機。功放的開關過程和電機的運動通常會帶來能量較大的高頻噪聲，對數字電路和模擬電路產生較大影響。因此驅動電路需要額外考慮一些電磁兼容性的設計。
　　
　　為了避免驅動電路中的高頻噪聲對數字電路和模擬電路產生影響，在pcb板上單獨劃出一塊地方，作為驅動電路的布線區域。提供獨立的電源和地給驅動電路。該電源和地與數字電源、地和模擬電源、地都不相連。對于信號，在驅動電路和數字電路之間接光耦進行光電隔離，以保證驅動電路中的高頻噪聲不會傳送到數字部分和模擬部分。總之保證驅動電路上所有的電源、地、信號都與電路的其它部分*隔離。
　　
　　實驗結果
　　
　　圖3直觀的給出了文中提及的電磁兼容性設計方案。　　
　　通過前后兩次對某導引頭位標器穩定平臺伺服控制的實驗進行比較，在不考慮電磁兼容性設計之前，模擬電路中的高頻噪聲幅值達十幾個毫伏量級；采用文中所述方法進行電磁兼容性設計以后，模擬電路中的噪聲降低到5mv以下。實驗證明，這些電磁兼容性設計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。
　　
　　結語
　　
　　根據前面討論的幾部分內容，在直流伺服控制電路中，為了避免噪聲的串擾，提高控制精度，需要考慮以下幾個方面：數字電路和模擬電路要隔開，數字電源、地和模擬電源、地分開提供；數字地和模擬地之間的連接通過磁珠單點短接；驅動電路單獨放置，電源和地單獨提供，與數字電路之間的信號傳輸通過光耦隔離。