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[摘 要]电磁干扰是影响无刷直流电机控制器稳定性的主要因素。本文从基于DSP的无刷直流电机控制系统的硬件电路和软件两方面，分析电磁干扰产生的原因，并提出了抑制电磁干扰的方法。电磁兼容性设计有利于提高无刷直流电机控制系统的抗干扰能力，增强系统的稳定性和可靠性。
[关键词]无刷直流电动机；电磁兼容；数字信号处理器
中图分类号：TP639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0340-01
1. 引言
国际标准IEC 60050（161）及国标GB/T4365—2003《电工术语电磁兼容》对电磁兼容的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”一个设计良好的电动机控制系统应符合国际电磁兼容（EMC）标准，即电机控制系统有一定的抗电磁干扰能力，同时，它的运行又不能对周围其它系统或器件造成伤害。基于DSP的电机控制系统将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，这些数字和混合信号外设包括：定时器、串口（SCI，SPI）、模数转换器（ADC）、事件管理器、系统保护（如低压检测和看门狗定时器）等。由于强电部分和弱电部分的功率、频率和电平相差极大，弱电部分的电平低，频率高，灵敏度高且对电磁干扰信号非常敏感，强电部分的电磁干扰有可能造成控制器的误动作，甚至破坏元器件。所以抑制电磁干扰成为电动机控制系统设计和应用必须重点考虑的问题，也成为电动机控制系统可靠工作的关键因素之一。
2. 系统硬件电磁兼容设计
2.1供电电路设计
BLDC供电电路原理如图1所示。BLDC供电电路的EMC设计主要考虑两方面：一是防止供电电路对电网和附近的电子设备产生干扰；二是加强供电电路本身对电磁骚扰环境的适应能力。
开关器件开通和关断时，产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。应用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。
BLDC供电电路中电压、电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、IGBT波形等。这些波形的高频信号都对BLDC控制电路的信号造成很大的干扰。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波，从而降低电流谐波含量，改善桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高电机的功率因数。
2.2控制电路和驱动电路设计
目前数字芯片的发展趋势为高速度、高频率、低电压和低功耗，但这些是电磁兼容的不利因素。控制系统是BLDC的核心部分，又是弱电电路，且最易受到电磁干扰的影响，因此，控制系统的电磁兼容设计是必要的。
控制系统中DSP各种功能的实现均由接口电路完成，接口信号受到干扰将会影响系统的控制效果。DSP电路的工作频率高，芯片管脚密，在与模拟器件一起进行数模混合设计时，对印刷电路板的设计要求很高。以下是设计高速电路和数模混合电路的一些必备准则和要求。
（1）在PCB板中，地线结构大致有系统地、壳体地（屏蔽地）、数字地和模拟地等，消除地线干扰的重要措施就是接地。接地应遵循的基本原则是：数字地、模拟地、屏蔽地应该合理接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据地电流的大小和频率设计相应宽度的印刷电路和接地方式。
（2）合理分区，单点接地。在印制板的布局上应将模拟电路区（敏感元件区）、功率元件区（干扰源）、数字电路区（既产生干扰又怕干扰）合理地分开。
（3）注意印刷板、元器件的分布参数与高频特性。元件最好直接焊在板子上，板上的过孔要尽量少。在绘制印刷电路板时也要特别考虑通孔焊盘及过孔对地层的影响这一问题，布线时尽量减少通孔焊盘和过孔的使用。
（4）时钟产生器应尽量靠近用到该信号的地方，石英晶振外壳要接地，用地线将时钟区圈起来，时钟信号区下面不要走線，最好有大面积的地在时钟区下面；功率放大与驱动部分尽量靠近印制板的边部，放大以后尽快离开印制板。
（5）设计印制线路板时，每个集成电路的电源与地之间须加去耦电容。去耦电容的选取可按C=l/f计算，印10MHz选0.1μF。
3. 控制系统软件设计
可以利用软件编程来增强系统的抗干扰能力，要求做到：无干扰时，程序能稳定、正确的运行：受到干扰时，一旦出现故障，能随时发现并自动回到正确运行状态，把人工恢复降低到最低限度。由于干扰，使程序跳转到未知区域，控制就会出现混乱，这种现象称之为“程序跑飞”。因程序“跑飞’’可能破坏RAM的内容，或不响应中断等错误。在软件设计中可以采用看门狗定时器（wDT）抗干扰。
看门狗定时器（Watch—Dog Timer）又称监视定时器。可使微机系统从故障中恢复过来。在微机系统启动时，也启动WDT。它将对机器的状态周期进行计数，每一个状态周期计数器加1。当计数器溢出时，能自动地将复位引脚的电平拉低至少两个状态周期的时间，这个复位信号使得DSP复位。在正常工作时，定期地用软件去复位wDT，而不会使WDT溢出造成系统复位。可是，如果程序一旦“跑飞"进入死循环或误区，这时软件就不会复位WDT。从而使WDT的计数达到溢出而使系统复位。系统复位后又从0000H单元开始执行程序，这样就可把“跑飞"的程序拉会到正常的程序中来如果这时干扰源已经消失，程序就可以正常地运行下去。
4. 总结
本文就BLDCM控制系统的软硬件的电磁兼容性设计进行了较为详细的讨论。对无刷直流电机控制系统中的电磁兼容性的问题，只要设计人员在硬件设计和软件设计中，采取有效的方法和必要的措施，就可使系统具有一定的抗干扰能力，同时又不产生超过限度的电磁干扰。
参考文献
[1]周佩白，鲁君伟，傅正财等.电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术[Ⅺ].北京：中国电力出版社，2006
[2]薛迎成，潘俊民，潘志杨.基于DSP永磁无刷直流电动机位置伺服系统[M].上海：上海交通大学，2002
[3]俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004，20（2）：1-4.
[4]李燕. 直流电机PWM 控制器的电磁兼容设计[D].太原：中北大学，2009.
[关键词]无刷直流电动机；电磁兼容；数字信号处理器
中图分类号：TP639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0340-01
1. 引言
国际标准IEC 60050（161）及国标GB/T4365—2003《电工术语电磁兼容》对电磁兼容的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”一个设计良好的电动机控制系统应符合国际电磁兼容（EMC）标准，即电机控制系统有一定的抗电磁干扰能力，同时，它的运行又不能对周围其它系统或器件造成伤害。基于DSP的电机控制系统将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，这些数字和混合信号外设包括：定时器、串口（SCI，SPI）、模数转换器（ADC）、事件管理器、系统保护（如低压检测和看门狗定时器）等。由于强电部分和弱电部分的功率、频率和电平相差极大，弱电部分的电平低，频率高，灵敏度高且对电磁干扰信号非常敏感，强电部分的电磁干扰有可能造成控制器的误动作，甚至破坏元器件。所以抑制电磁干扰成为电动机控制系统设计和应用必须重点考虑的问题，也成为电动机控制系统可靠工作的关键因素之一。
2. 系统硬件电磁兼容设计
2.1供电电路设计
BLDC供电电路原理如图1所示。BLDC供电电路的EMC设计主要考虑两方面：一是防止供电电路对电网和附近的电子设备产生干扰；二是加强供电电路本身对电磁骚扰环境的适应能力。
开关器件开通和关断时，产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。应用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。
BLDC供电电路中电压、电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、IGBT波形等。这些波形的高频信号都对BLDC控制电路的信号造成很大的干扰。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波，从而降低电流谐波含量，改善桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高电机的功率因数。
2.2控制电路和驱动电路设计
目前数字芯片的发展趋势为高速度、高频率、低电压和低功耗，但这些是电磁兼容的不利因素。控制系统是BLDC的核心部分，又是弱电电路，且最易受到电磁干扰的影响，因此，控制系统的电磁兼容设计是必要的。
控制系统中DSP各种功能的实现均由接口电路完成，接口信号受到干扰将会影响系统的控制效果。DSP电路的工作频率高，芯片管脚密，在与模拟器件一起进行数模混合设计时，对印刷电路板的设计要求很高。以下是设计高速电路和数模混合电路的一些必备准则和要求。
（1）在PCB板中，地线结构大致有系统地、壳体地（屏蔽地）、数字地和模拟地等，消除地线干扰的重要措施就是接地。接地应遵循的基本原则是：数字地、模拟地、屏蔽地应该合理接地，不能混用。要尽可能地使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流耦合。合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据地电流的大小和频率设计相应宽度的印刷电路和接地方式。
（2）合理分区，单点接地。在印制板的布局上应将模拟电路区（敏感元件区）、功率元件区（干扰源）、数字电路区（既产生干扰又怕干扰）合理地分开。
（3）注意印刷板、元器件的分布参数与高频特性。元件最好直接焊在板子上，板上的过孔要尽量少。在绘制印刷电路板时也要特别考虑通孔焊盘及过孔对地层的影响这一问题，布线时尽量减少通孔焊盘和过孔的使用。
（4）时钟产生器应尽量靠近用到该信号的地方，石英晶振外壳要接地，用地线将时钟区圈起来，时钟信号区下面不要走線，最好有大面积的地在时钟区下面；功率放大与驱动部分尽量靠近印制板的边部，放大以后尽快离开印制板。
（5）设计印制线路板时，每个集成电路的电源与地之间须加去耦电容。去耦电容的选取可按C=l/f计算，印10MHz选0.1μF。
3. 控制系统软件设计
可以利用软件编程来增强系统的抗干扰能力，要求做到：无干扰时，程序能稳定、正确的运行：受到干扰时，一旦出现故障，能随时发现并自动回到正确运行状态，把人工恢复降低到最低限度。由于干扰，使程序跳转到未知区域，控制就会出现混乱，这种现象称之为“程序跑飞”。因程序“跑飞’’可能破坏RAM的内容，或不响应中断等错误。在软件设计中可以采用看门狗定时器（wDT）抗干扰。
看门狗定时器（Watch—Dog Timer）又称监视定时器。可使微机系统从故障中恢复过来。在微机系统启动时，也启动WDT。它将对机器的状态周期进行计数，每一个状态周期计数器加1。当计数器溢出时，能自动地将复位引脚的电平拉低至少两个状态周期的时间，这个复位信号使得DSP复位。在正常工作时，定期地用软件去复位wDT，而不会使WDT溢出造成系统复位。可是，如果程序一旦“跑飞"进入死循环或误区，这时软件就不会复位WDT。从而使WDT的计数达到溢出而使系统复位。系统复位后又从0000H单元开始执行程序，这样就可把“跑飞"的程序拉会到正常的程序中来如果这时干扰源已经消失，程序就可以正常地运行下去。
4. 总结
本文就BLDCM控制系统的软硬件的电磁兼容性设计进行了较为详细的讨论。对无刷直流电机控制系统中的电磁兼容性的问题，只要设计人员在硬件设计和软件设计中，采取有效的方法和必要的措施，就可使系统具有一定的抗干扰能力，同时又不产生超过限度的电磁干扰。
参考文献
[1]周佩白，鲁君伟，傅正财等.电磁兼容问题的计算机模拟与仿真技术[Ⅺ].北京：中国电力出版社，2006
[2]薛迎成，潘俊民，潘志杨.基于DSP永磁无刷直流电动机位置伺服系统[M].上海：上海交通大学，2002
[3]俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004，20（2）：1-4.
[4]李燕. 直流电机PWM 控制器的电磁兼容设计[D].太原：中北大学，2009.