工业用电机的电磁兼容设计

1、工业用电机的电磁兼容设计关于改善直流电机EMC方案 学院： 装备工程学院 专业： 信息对抗技术 姓名： 学号： 指导老师： 日期： 摘 要本文分析了基于直流电机系统中产生的电磁干扰；讨论了PCB的电磁兼容设计, 即电路的合理选择和布置、妥善安排地线、正确应用屏蔽和合理利用滤波技术等,特别是全过程都应重视电磁兼容设计, 以保证电机系统的电气性能和可靠性。关键词: 直流电动机；电磁干扰；电磁兼容；1引言EMC直译就是电磁兼容性，是Electro Magnetic Compatibility的缩写。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是指“设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设

2、备产生无法忍受的电磁干扰的能力”。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值（EMI）；另一方面是指组件对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性(EMS)。简单的说，就是电子设备的干扰性和抗干扰能力。无论是CNC、PLC、电机系统、变频器都会产生电磁干扰，同时也受到其它设备的干扰。如变频器、伺服驱动器等PWM设备自身就是大的干扰源，但同时他们也是电子设备，控制板也同样会受到其它产品的干扰。CNC和PLC自身产生的电磁干扰小，但要注意它们的抗干扰性。EMC最为重要的一条准则是“预防是最有效的、最经济的方案”，因此合

3、理的设计和规范的施工是提高工控产品和机械设备稳定运行的关键性因素和前提条件。2 直流电机干扰的EMC问题如今，电机和CNC、PLC、变频器等其它自动化产品一样，已经成熟应用于工业生产的各个领域。但是在实际应用中，总会出现一些干扰因素，影响电机系统的正常工作，造成设备失控和误动作，威胁到人和机械的安全。出现这些问题后，设备厂家总会认为是产品缺陷，要求自动化供应商协助解决，甚至更换其它的品牌工控产品，现有工控产品便成了无辜的“替罪羔羊”。其实这种情况不论在进口产品和国产产品都会有发生的几率，只是在进口的设备中，特别是欧美机械设备，比较注意产品的电磁兼容性（EMC）设计和安装的规范，采取了必要的抗干

4、扰措施，从而大大降低了干扰因素带来的影响。工业控制设备的可靠性和稳定性，不但取决于工业控制类产品的可靠设计、更取决于设备生产厂家的方案设计和施工安装响。本文浅析了工控领域中电机系统中常见的干扰因素，阐述了常用的抗干扰措施，来实现设备稳定可靠的运行。3直流电机中干扰类型 一台高速运转的带换向器的串激电机就相当于一台无线电发射装置,由于换向时产生火花和电弧,它将产生低频和高频的无线电干涉影响电视广播和无线电通讯,因此需要对其产生的干扰进行抑制; 1.电机换向时导致参与换向的电枢线圈短路,回路流过短时大电流,当换向片与碳刷断开位置时,碳刷与换向片之间产生换向火花,使换向区域附近的空气介质电离,在空气

5、中形成带电粒子,从而形成电磁干扰,这种火花电离产生的干扰频谱较宽且连续分布,对广播电视产品.通讯类产品及其他电子类产品有较大的干扰作用; 2.由于可控硅、整流二极管、开关等在导通和截止的工作特性和导通的稳定性较差,也会产生高频次谐波干扰分量; 3.由于电机的定子铁芯和转子的开槽设计和线圈上磁路设计比较饱和,也会产生较大的高频次谐波干扰分量引起电磁干扰.4直流电机抗干扰设计 设计系统时, 应在初步设计阶段进行电磁兼容性分析, 选用不易产生干扰及对干扰不敏感的元器件和电路, 同时对元器件和电路进行合理布置, 以减小相互影响, 并便于采取防护措施。印制板上的元器件可按电原理图的顺序排列, 使各部分功

6、能明确, 并力求元器件安排紧凑。1.合理布置电源线。一般采用滤波去耦电容和减小供电线路特性阻抗的方法来抑制电源线中存在的骚扰。多层板的供电有专用的电源层和地线层, 面积大, 间距小。适当加粗电源线,印制电路板上的供电线路应加滤波器和去耦电容。对电源线上辐射发射比较强的电路要屏蔽。2.尽量减小信号环路的面积。减小信号环路的面积,是为了减小环路的差模电流辐射。环路辐射与电流强度和环路面积成正比。在电流强度确定的情况下, 为了减小环路辐射,只有设法减小环路面积。信号环路不应重叠,这对于高速度、大电流的信号环路尤为重要。实际上减小面积比缩短信号线长度更有效。在单层和双层板上信号线及其回流线应紧贴在一起

7、布置,最好是每条信号线都有自己的回流线,否则容易产生信号环路的重叠。在多层板中信号线不要跨越地层上的隔缝,其目的都是为了减小信号环路面积。在这个系统中,要尽量减小驱动回路即VMOS晶体管所在的回路,还要尽量减小电动机工作的回路。3.合理设置退耦电容。设计印制线路板时,每个集成电路的电源与地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容, 提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面去除掉该器件的高频噪声。对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容；电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。4.用多层板代替单面板或双

8、面板。这是电磁兼容设计很重要一个措施。多层印制电路板时由预浸环氧玻璃布把3层以上的分离导电图形粘结层压而成。电源和回路总线是由非浸蚀铜箔板构成。这样,电源分配系统组成大的平面,具有极低分布源阻抗。因此,多层板比单面板和双面板更能避免共阻抗耦合,并提供屏蔽(取决于布局),使多电平电压分配得到改善。这个系统所用的印制板将采用4层板。5.屏蔽正确应用。对线路板上的强辐射电路或高度敏感电路需要采取局部屏蔽。线路板局部屏蔽能否成功的一个关键因素是屏蔽界面的选择是否合理。因此选择屏蔽界面主要原则有:第一穿过屏蔽界面的导线数量最少。第二所有穿过屏蔽界面的导线都需要滤波。线路板上的导线滤波可以采用贴片电容,安

9、装在导线闯过屏蔽体的界面上,如果为了防止屏蔽盒内的干扰出来,滤波电容安装在内侧,如果为了防止外界干扰进到盒子里面,滤波电容安装在盒子的外侧。三段贴片电容式最适合这种应用的器件。6.接地技术。接地技术既应用于多层PCB,也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗,以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。保护环是一种可以将充满噪声的环境(比如射频电流)隔离在环外的接地技术,这是因为在通常的操作中没有电流流过保护环。PCB电容在多层板上,由分离电源面和地面的绝缘薄层产生了PCB电容。PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀地分布在整个面或整条线上的低串连电感。它等效于一个均匀

10、分布在整个板上的去耦电容。多层PCB中的接地面和电源面在多层PCB中,推荐把电源面和接地面尽可能近的放置在相邻的层中,以便在整个板上产生一个大的PCB 电容。速度最快的关键信号应当临近接地面的一边,非关键信号则布放为靠近电源面。电源要求当电路需要不止一个电源供给时,采用接地将每个电源分离开。在这个系统中,主要需要注意的部分是电源电路、芯片及芯片周围的电路、驱动电路、电动机的工作电路。在这些电路中干扰源比较多,同时存在敏感器件, 要把这些措施综合应用到电路中。具体措施如下:电源线上的辐射发射采取屏蔽措施, 传导发射则在输入端加滤波器, 输出端也要加滤波器；芯片周围,要加合适去耦电容;器件要合理放置, 尽量减小其环路的面积；驱动电路中,大电流的线路加粗并尽量的短,以减小辐射发射,合理布置去耦电容,尽量减小回路的面积, 高频器件要屏蔽；直流电机产生点火花,产生宽频带干扰,应采取屏蔽措施,其供电线路要采取滤波措施。5总结首先在这里感谢刘晓霞老师认真的指导，本次论文的实现过程和结果都给了我很多感触。初次拿到论文的题目时，真的是对工业用电机的电磁兼容设计一无所知，怎么设计，几乎没有什么想法。在刘晓霞老师的指导和同学的帮助下，对工业用电机的电磁兼容设计的介绍有了一定的了解。后来通过不断的学习和查阅资料，终于清楚的知道了工业用电机的电磁兼容设计的基本情况