电机控制应用中的电磁兼容性设计与测试标准

Posted 2022-01-22 卓晴

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了电机控制应用中的电磁兼容性设计与测试标准相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

简介：针对小型机电系统中由于静电的积累放电所造成的影响，本文结合 EMC design guides for motor control applications 给出了电机驱动应用中的电磁兼容性设计与测试标准。欲善其事，必先利其器，对于静电的测量与EFT群脉冲产生是对设计系统所存在缺陷进行检测和改进的手段。

关键词： ESD，EFT，ESI

原作者：Alessio Corsaro, Carmelo Parisi and Craig Rotay

§00 前言

近年来，随着持续在电机控制工业应用中需要高效、紧凑和低功耗，使得基于MCU驱动的逆变电机驱动方案得到快速发展。这种应用中包含有高的切换频率和功率水平，因此需要具有适应恶劣电磁干扰功能。应用设计中需要集中考虑面对两方面的挑战：

免于受到瞬变电磁场（EMS）造成应用失效；
限制应用对外产生电磁辐射的措施；

解决电磁兼容性（EMC）的措施可以通过PCB布线、电路设计、元器件选择等，特别是它们属于全周期设计的一部分。

下面内容将讨论电机控制应用中的电磁兼容小的效果并给出实际硬件设计指导，来实现在应用产品中对抗电气快速瞬变（EFT）、静电放电（ESD）以及限制传导性和辐射性电磁干扰的经济实用方案。

§01 EMC定义

电磁兼容性（EMC）是电气、电子系统、设备、器件在所需电磁环境中正常工作时免于受到电磁干扰困扰，或者产生无法接受的性能降低，并还具有一定安全裕量（ANSI C64.14-1992）。电磁兼容分成电磁干扰（EMI）和电磁敏感性（EMS）两类。

电磁干扰（EMI）是指但对于电子器件或者设备之间传递引起破坏性的电磁能量，它可以通过以下两种方式传递：

通过电源线的传导性发射；
通过自由空间的辐射性发射；

电磁敏感性（EMS）是指免于收到静电放电、电气瞬变、闪电浪涌和电磁波干扰的能力。

▲ 图1.1 电磁兼容性表格

1.1 电磁兼容性环境

OEM应用中有不同的EMI，EMS标准，这取决于它们应用场合。这些标准包括有确保产品规格的测试方法，管理要求、定义瞬变源、完整串入系统途径以及严重水平等。

EMC 防护测试的主要国际标准包括：

IEC61000-4-2：静电放电（ESD）模拟操作人员静电放电波形，可以在操作员触碰位置模拟放电，包括所有用户可及的控制界面和外部连接器。EDS的测试等级主要取决于不同应用。
IEC61000-4-4：电气瞬变（EFT）模拟了继电器开关，或者在主电路回路中电感负载断路所产生的波形。作为一种特殊的突发信号，通常会沿着交流电缆传播。EFT波形可以在信号和控制线中注入来模拟这些电路中通过耦合产生的干扰。

除此之外，在家用电器或大功率工具中的欧洲标准， EN55014-1是电磁发射标准；EN55014-2是抗电磁干扰标准。

这些标准给出了对电机或者继电器应用中所产生的传导性、无线辐射性的统一干扰等级要求。交流感应电机通常会在电源的输入输出边产生谐波信号，对周围电器设备和主电源回路产生电磁干扰。交流驱动器则同时会产生这样的干扰或者受到干扰。

§02 EMC现象和检测

下面对电气系统设计中常见到的电磁兼容性线性进行介绍，并给出仿真它们的测试方法。

2.1 抗静电测试

静电放电是在积累有不同电荷的两个物体之间所产生的电场中所产生的电子交换。是否对器件造成损害取决于它的ESD的敏感性以及对放电能量的耗散能力。

2.1.1 人体模型测试

静电放电人体模型（HBM）模拟了单个人的指尖对器件的放电现象。它使用下面的电路进行模拟，其中的100pF电容储存高压电能，通过开关切换对被测试对象（DUT）进行放电，在放电回路串有1.5kΩ的电阻 $R_D$ 。

▲ 图2.1.1 器件静电敏感性人体测试模型电路

$C_S$ 与 $R_D$ 分表代表了人体储能电容和放电电阻。 $R$ 是套呀直流电源串联电阻。当开关 $S$ 连接 $RC_S$ 到直流高压电源是，电容 $C_S$ 被充电。

人体可以存储几千伏特的静电电能，放电峰值可以高达数百个安培。

IEC61000-4-2标准规定了EDS信号波形，与典型人体放电脉冲相似，但具有更大的能量。

▲ 图2.1.2 EDS信号波形

人体模型静电测试通常是由测试系统自动释放电脉冲并在器件失效时，也就是器件数据手册参数无法被满足时给出指示。

2.1.2 器件充电模型测试

另外一个静电放电时间通常发生在对于静电敏感器件，在充满静电后放电过程，也许是该器件触碰到导体表面。这种称为器件充电模型（CDM）。这种情况往往会产生比人体模型更高的放电脉冲。下图给出了器件充电测试系统框图。

▲ 图2.1.3 充电器件模型测试系统框图

2.1.3 机器模型测试

在自动设备导电表面与静电敏感器件之间的放电过程可以使用机器模型（Mcahine Model）来刻画。

机器模型中的储能电容为200pF，在被测对象放电视没有串联电阻。串联电感LL $L_MM$ 可以产生机器模型放电振荡波形，有峰值电流、上升时间和振荡周期刻画。

▲ 图2.1.4 使用机器模型对静电敏感期间进行测试的电路

2.1.4 严格等级分类

在IEC61000-4-2中对于EDS危险分为四个等级，取决于器件工作环境以及测试脉冲峰值电压。

等级1,2应用于具有防静电材料的控制环境；
等级3应用于对偶尔手触碰到的设备；
等级4应用于手持设备；

▲ 图2.1.5 ESD严格等级分类

2.2 抗电气瞬变测试

电气瞬变所造成的扰动或者突发脉冲在所有应用中都会碰到，包括电子开关和感性负载应用场合。通常在电力线上存在，并通过电感或者电容耦合对信号线产生干扰。在感性负载换流时会产生电气瞬变，此时电流回路断开，伴有一系列小的放电过程，在电源线上产生高压脉冲。

IEC61000-4-4标准给出了电气器件的电气瞬变敏感性测试。瞬变扰动有一系列 2 ~ 5 kHz 的高压脉冲描述，15ms突发时间，300ms间隙。测试电路中有50欧姆负载电阻驱动，本质上是一个动态信号源阻抗为50欧姆的电压发生器。单个脉冲是50ns双指数变化波形，上升时间为5ns。

▲ 图2.2.1 电气瞬变波形

根据应用的不同敏感性对EFT划分为以下四种不同的安装环境等级：

等级1：良好保护
等级2：保护
等级3：典型工业应用
等级4：严酷工业应用

在IEC61000-4-4针对每种等级给出了开路测试危险等级和脉冲序列频率。

▲ 图2.2.2 IEC61000-4-4 严格等级

2.3 行为等级

根据测试设备在ESD，EFT下表现的功能损失或者性能降级等结果分为以下几类：

类型A：在生产商、使用者或者购买者规定限制范围内可以正常工作；
类型B：暂时性功能丧失或者性能下降，当干扰消失后自动恢复，无需操作人员干预；
类型C：在干扰中功能丧失或者性能下降，当干扰消失之后，需要人为干预才能够恢复；
类型D：由于干扰造成的功能丧失或者性能下降无法恢复，可能是硬件、软件的损坏或者数据的丢失。

2.4 辐射

2.4.1 传导辐射：标准和测试

任何电子设备都有可能成为潜在的噪声干扰源，对所在的电源以及整个电网造成干扰。这种扰动对于连在同一电源线上其它设备造成影响，随着电源线长度增加，也将会产生辐射电磁噪声。

CEI EN 55022标准给出了类型A（用于商业或工业中的产品），类型B（用于居家或室内）中设备在150kHz 至 30MHz 频率范围内的电磁辐射限制。

虽然造成传导性辐射是由噪声电流引起的，但通过成比例的电压噪声来描述，所以限制标准采用 $dB\\mu V$ 。

▲ 图2.4.1 传导性辐射限制

对于传导性辐射测量是通过传输线阻抗稳定网络（Line Impedance Stabilization Network：LISN）进行的。它连接在待测设备与电源线之间。在给定的频率范围内 LISN提供了恒定的阻抗，使得测量结果对电源连接线的位置不敏感，并对来自于外部电源上的干扰信号进行滤除。

▲ 图2.4.2 使用传输线阻抗稳定网络测量电磁传导辐射示意图

2.4.2 电磁辐射：标准和测试

任何电子设备都会产生和发送电磁场，通过电磁波来发送干扰电磁能量，这使得它自身内部或者旁边的设备被影响。

电磁辐射通过扰动能力，定义为应用设备在端口上的接收到的能量。在 CEI EN 55014-1标准中给出了限制标准（ $d B p W$ ）以及测量方法。频率范围在30MHz 到 300MHz。

▲ 图2.4.3 家用电器干扰能量限制标准

对于超过30MHz的电磁辐射能力主要通过主电源线发出的。这可以通过适当的吸收器件进行减弱，特别是找到最大吸收位置。测试方法是通过一个吸收夹钳放在电源线上进行测量，电源线长度取决于测量最低频率值。

§03 电机控制影响

在设计心得电子系统是对于电磁干扰兼容性需要着重考虑，这可以减少设计周期和工程费用，避免最后在解决EMC问题时产生后悔。另外，良好的PCB布线也可以节省产品费用，否则后期的补偿措施可能费用惊人。在系统硬件设计实时阶段，就需要考虑如何控制EFT，ESD以及电磁辐射所产生的影响。

对于一个基于逆变的电机控制应用系统，通常具有数字部分（微控制器）、控制部分（IC门驱动器，保护比较器，电流传感信号放大器以及其他电流、温度传感器等），功率部分（通常是基于IGBT，或者MOSFET器件），低电压电源以及稳压器。

▲ 图3.1 电机控制逆变器的系统框图

由于在系统中包含有大电流和高电压，所以对于功率部分的布局和布线需要从多方面考虑：比如引线长度，宽度，电路面积以及引线敷铜路径，对于不同系统器件相互安排以及PCB上的电源。

首先要考虑的是减少电磁干扰问题以及过压尖峰，通常有PCB引线上寄生电感所产生。

之后需要保证从系统电源线传入的电气瞬变噪声能够很好地被抑制，这一点可以通过外部接地，或者对敏感器件，比如微控制器，IC门电路等单独供电来解决。这是由于瞬变的电压可能会对数字电路产生BIT的错误，使得模拟信号的完整性遭到破坏。

如果做不到这些，可能造成输入的PWM信号不正常，或者产生错误的失效信号，保护不足，电流读入错误或者出现过压信号。所有这些可能会使得设备暂时无法工作，甚至永久性损伤。

最后，需要确保静电放电能够得到高呼，它最有可能造成器件永久性损坏。这一点可以通过低通滤波器、保护和钳位耳机哥以及对PCB布线优化来实现。

§04 抗干扰测试

在 A3979驱动电路偶发停机故障诊断及分析 中描述了影响滴定仪工作的原因：

由于进液驱动步进电机旋转时，与硅胶管摩擦产生静电，
由于电机与外壳之间存在橡胶减震垫，所以积累的静电无法耗散，最终通过驱动线反馈到驱动芯片A3979上引起A3979过流失效；

俗话说，欲善其事，必先利其器。为了从工程师降低此类故障的产生，寻找更好的解决方案，可以通过以下两方面来改进系统：

通过测试静电的产生，寻找更好的减少静电形成以及静电消散的措施；
通过模拟静电放电，来寻找更好的电路设计和端口保护措施。

关于如何加强电路对EMI抑制，可以参考 EMC design guides for motor control applications
中后半部分的规范。

4.1 静电测试

如果等到静电积累到很好进行放电才能够产生故障，会使得故障定位和判断比较随机。使用能够直接测量静电积累的设备，寻找系统中关键敏感部位的静电产生源，可以更好结果静电产生和积累问题。

下面给出了TB上两款静电测试仪，可以用来检测系统中可能存在的静电产生源以及产生静电的程度。由此可以帮助分析静电产生的原因以及消除的方法。

手持防爆型静电电压表静电测试仪静电电压测试仪
静电测试仪Simco FMX-003红外线表面高压表004离子风机测量检测器
▲ 图4.1.1 用于静电检测的静电测试仪

▲ 图4.1.2 测量物体表面的静电场

4.2 群脉冲测试

利用群脉冲发生器可以对设计电路接口的EMS（电磁敏感性）进行测试，找到端口合理的保护手段。

在 EFT测试仪EFT-4001G群脉冲发生器 给出了一款二手的群脉冲发生器。

脉冲群发生器,脉冲群模拟器,电快速瞬变脉冲群发生器,脉冲群测试设备,EFT测试设备,群脉冲发生器,群脉冲模拟器,智能型群脉冲模拟器EFT-4001G EFT-4003G：是按照电气、电子产品对于电快速瞬变脉冲群试验的特点和要求而专门设计的，具有可靠性好、性能稳定、使用方便等特点。设备的指标符合IEC61000-4-4、EN60100-4-4和GB/T17626.4标准的要求。

● 电子式高压电源，电压稳定精度高。　　　　　　　
● 内置单片机控制，稳定可靠，操作方便。
● 主开关采用德国原装电子开关，无接触寿命问题。　
● 正负极性自动切换。
● 脉冲形成电路中采用日本无感大功率电阻，确保脉冲波形稳定性和可靠性。　　　　　　　　　　　
● 脉冲干扰叠加软件控制，无须人为操作。　　　　
● 内置三相五线耦合去耦网络。
● 内置IEC61000-4-4四种标准试验等级。　　　　
● RS-232通讯接口，可实施远程控制。

它的主要技术指标为：

▲ 图4.2.1 群脉冲发生器

※ 总结 ※

针对小型机电系统中由于静电的积累放电所造成的影响，本文结合 EMC design guides for motor control applications 给出了电机驱动应用中的电磁兼容性设计与测试标准。欲善其事，必先利其器，对于静电的测量与EFT群脉冲产生是对设计系统所存在缺陷进行检测和改进的手段。

■ 相关文献链接: