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伺服控制电路的电磁兼容设计_2

  目前电气伺服控制系统中的主控制器主要是单片机芯片,检测装置是各种传感器,信号转换电路主要实现a/d转换功能,执行机构通常使用各种力矩电机。其控制原理示意图可以简单的用图1的方块图来表示[1]。伺服技术已经发展为高精确度定位控制[2][3],对控制精度的要求越来越高,同时随着芯片集成技术的提高,电气系统小型化也成为主流趋势。

  在小型化的需求下,通常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。在电气伺服控制系统中,控制电路板的噪声也成为影响控制精度的一个重要因素。因此设计好电路板的电磁兼容性,减小电路中的噪声也成了电路设计时必须考虑的问题。本文从模数电路的连接、地和电源的处理、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,并通过实验验证了文种方法的有效性。

伺服控制电路板的电磁兼容设计

  在伺服控制电路中,传感器检测到的信号是模拟信号,主控制器和执行机构接收的则都是数字信号,电路分为模拟和数字两部分。如果设计不当,模拟电路和数字电路之间,模拟电路自身以及数字电路自身都会出现噪声串扰的情况,会影响到控制精度。如何设计电路中的电磁兼容性,减小电路中的噪声是提高控制精度的一个重要环节。下面从几个方面讨论伺服控制电路电磁兼容性设计的一些方法,以减小电路中的噪声,避免噪声串扰的情况。

  模拟电路和数字电路之间的连接

  由于信号的性质,数字电路的频率高,模拟电路的敏感度较强。在模拟电路中,由于传感器检测到的通常为小信号,需要经过放大器放大,极小的噪声电压都会引起输出信号的严重失真。在数字电路中,ttl噪声容限为0.4v~0.6v,cmos噪声容限为vcc的0.3~0.45,因此数字电路具有较强的抗干扰能力。数、模之间的大多数干扰是通过电源和地总线产生的,其中地线产生的噪声干扰最大。

  对于信号线来说,高频的信号线应该尽可能的远离敏感的模拟电路器件。对于电源线,数字电源和模拟电源尽可能分开提供。对于地线来说,整个pcb板对外界只有一个结点,所以必须在pcb板内部处理数、模共地的问题。在pcb板内部,为了避免数字地上的噪声对模拟地产生干扰,通常将数字地和模拟地分开,它们之间互不相连,只在pcb与外界连接的接口处有一点短接[4]。为了避免数字地上的高频噪声传送到模拟地上,短接通过磁珠连接。磁珠可以将通过其的高频噪声吸收并且转化成热能散发,有效的避免了将高频噪声反射回去或者传输过去[5][6]。实验证明,选用通频带和阻抗合适的磁珠和直接单点连接相比,模拟地上的噪声减小了很大一部分。

  电源噪声和地噪声的处理

  如果情况允许,pcb板尽量使用多层板,用地平面代替地线,电源平面代替电源线,电源平面和地平面要尽量相邻,减少环路面积[4][7]。在必须使用电源线和地线的时候,要尽量加宽电源线和地线。

  伺服控制电路中通常使用稳压模块或者电源模块来提供直流电源。为了减小直流电源中的交流噪声对电子元器件产生干扰,在电子元器件电源的输入端和地之间接旁路电容滤波[5][6]。为了保证滤波效果,通常使用两个容值相差100倍的电容并联作为旁路电容。这是为了避免在高速电路中,由于引线产生电感,与电容发生谐振,造成旁路电容失效的情况。一般电路中常使用10u和0.1u的电容作为旁路电容。旁路电容要尽可能的接近元器件的电源输入端,越接近电源输入端滤波效果越好。

  a/d转换器使用时的布线技巧

  a/d转换器中同时包括了数字部分和模拟部分,采样/保持、比较器、数模转换器的大部分都是模拟的,电路的其余部分是数字的,因此,转换器所需的大部分电流都用于内部模拟电路,数字电路只需要很少的电流。转换器可能有多个电源和地引脚。因为引脚标号分为数字和模拟两种,所以引脚名经常会引起误解。其实这些标号并非刻意描述转换器到pcb的连接,而是确定了数字和模拟电流如何流出芯片。因此为了避免数字电路噪声对模拟部分的干扰,通常在模拟平面上连接a/d转换器的所有电源和地引脚[4]。

  通常从a/d转换器引出两种地引脚:agnd和dgnd。当对a/d转换器进行布线时,agnd和dgnd都应该连接到低噪声的模拟地平面上。模拟和数字电源也应该连接到模拟电源平面或者至少连接到模拟电源线,在每个电源引脚接适当的旁路电容,且二者尽可能地靠近。与输入信号有关的com引脚或in引脚应该尽量靠近信号地连接[4]。

  对于高分辨率的逐次逼近型a/d转换器(16位以上),在将这些器件与单片机相连时,尽管这些类型的转换器通常在数字输出侧有内部双缓冲器,还是要使用外部的三态输出数字缓冲器缓冲。这些缓冲器除了具有高驱动能力外,还有隔模拟和数字电路的作用,可进一步将转换器中的模拟电路与数字总线噪声隔离开。这种系统的正确电源策略如图2所示。

驱动电路中的电磁兼容性设计

  由于单片机给出的驱动信号功率较小,所以控制指令先通过功放(放大装置)放大后才传送给作为驱动机构的电机。功放的开关过程和电机的运动通常会带来能量较大的高频噪声,对数字电路和模拟电路产生较大影响。因此驱动电路需要额外考虑一些电磁兼容性的设计。

  为了避免驱动电路中的高频噪声对数字电路和模拟电路产生影响,在pcb板上单独划出一块地方,作为驱动电路的布线区域。提供独立的电源和地给驱动电路。该电源和地与数字电源、地和模拟电源、地都不相连。对于信号,在驱动电路和数字电路之间接光耦进行光电隔离,以保证驱动电路中的高频噪声不会传送到数字部分和模拟部分。总之保证驱动电路上所有的电源、地、信号都与电路的其它部分完全隔离。

实验结果

  图3直观的给出了文中提及的电磁兼容性设计方案。

  通过前后两次对某导引头位标器稳定平台伺服控制的实验进行比较,在不考虑电磁兼容性设计之前,模拟电路中的高频噪声幅值达十几个毫伏量级;采用文中所述方法进行电磁兼容性设计以后,模拟电路中的噪声降低到5mv以下。实验证明,这些电磁兼容性设计方法可以有效地降低直流伺服控制电路中的噪声,提高伺服控制的精度。

结语

  根据前面讨论的几部分内容,在直流伺服控制电路中,为了避免噪声的串扰,提高控制精度,需要考虑以下几个方面:数字电路和模拟电路要隔开,数字电源、地和模拟电源、地分开提供;数字地和模拟地之间的连接通过磁珠单点短接;驱动电路单独放置,电源和地单独提供,与数字电路之间的信号传输通过光耦隔离。

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