伺服電機(jī)靜電防護(hù)完整方案

伺服電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，通過接收控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置的控制。它具有高精度、高速度和高效率的特點(diǎn)，能夠?qū)㈦妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)的類型多種多樣，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、醫(yī)學(xué)成像、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、食品和飲料生產(chǎn)、金屬成型等工業(yè)領(lǐng)域。

伺服電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)各種形式的干擾源，工作時(shí)負(fù)載與傳動(dòng)系統(tǒng)之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電，靜電電荷如果不能及時(shí)釋放，會(huì)聚積在伺服電機(jī)內(nèi)部，形成靜電場，還可能對(duì)伺服電機(jī)的電子元件造成損害。本文基于伺服電機(jī)系統(tǒng)的各模塊電路進(jìn)行分解，介紹適合伺服電機(jī)系統(tǒng)的防護(hù)方案以及防護(hù)器件推薦。

伺服電機(jī)系統(tǒng)介紹

伺服電機(jī)的工作原理可以簡單概括為：輸入控制信號(hào)→伺服控制器→伺服電機(jī)→輸出運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服控制器和反饋裝置三部分組成。伺服電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后，會(huì)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)與脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。同時(shí)，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，因此每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)器為電機(jī)供電時(shí)，反饋裝置會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的速率和位置進(jìn)行監(jiān)測。驅(qū)動(dòng)器通過控制電路接收此類信號(hào)并持續(xù)對(duì)提供給電機(jī)的電流和電壓進(jìn)行調(diào)整，從而能夠即時(shí)糾正偏差，確保毫無誤差地執(zhí)行編程運(yùn)動(dòng)。

控制模塊

控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號(hào)處理器除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲(chǔ)器等。伺服驅(qū)動(dòng)器通過采用磁場定向的控制原理（ FOC） 和坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)矢量控制（VC） ，同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)有相應(yīng)的反饋機(jī)制，通過簡單耐用的霍爾效應(yīng)傳感器、能適應(yīng)極端環(huán)境的旋轉(zhuǎn)變壓器、高精度光學(xué)編碼器以及其他可選裝置確保運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩密度大、慣量小的伺服電機(jī)具備更佳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)，能夠提升機(jī)器的生產(chǎn)率。伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)和型號(hào)種類繁多，包括：交流電機(jī) (AC)和直流電機(jī) (DC)；刷電機(jī)和無刷電機(jī)；框電機(jī)、無框電機(jī)和模塊化電機(jī)；以及其他可選電機(jī)。

電源模塊

電源驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的轉(zhuǎn)化過程。

可用物料匯總

應(yīng)用示例

驅(qū)動(dòng)模塊

MOSFET在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中還可以作為電源開關(guān)，通過控制其導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)來調(diào)節(jié)電機(jī)的供電電壓。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電電壓成正比，因此通過調(diào)節(jié)電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。這種控制方式在直流電機(jī)和交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中均得到廣泛應(yīng)用。除此之外，在電機(jī)運(yùn)行過程中，過流和過熱是常見的故障模式。MOSFET具有快速的電流響應(yīng)能力和熱穩(wěn)定性，因此可以用于電流保護(hù)。通過監(jiān)測電機(jī)的電流和MOSFET的溫度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理過流和過熱情況，從而保護(hù)電機(jī)和MOSFET免受損壞。

CAN芯片

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。目前很多伺服電機(jī)內(nèi)部都提供了CAN總線接口，使其很容易掛接到CAN總線上，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制，拓展了伺服電機(jī)的功能與應(yīng)用范圍,使伺服電機(jī)能更好更靈活地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中。以下我們提供兩種CAN總線的應(yīng)用方案。

方案一：

我們同時(shí)推薦湖南靜芯研發(fā)的SENC23T24V2BD和SENC23T24V2BC作為CAN總線的防護(hù)器件，這是兩款用于防止靜電放電、過壓等瞬態(tài)事件ESD防護(hù)器件。兩款器件內(nèi)部都集成了兩路對(duì)稱電壓24V的ESD防護(hù)器件，電氣特性相似，封裝相同，其中SENC23T24V2BD防護(hù)性能更優(yōu)異，峰值功率(PPK 680W)和峰值電流（IPP 16A）更高。

SENC23T24V2BC本身寄生電容僅為18pf，IPP（峰值脈沖電流）為8A，鉗位電壓為43V；SENC23T24V2BD本身寄生電容為40pf，IPP（峰值脈沖電流）為16A，鉗位電壓為45V。低鉗位電壓可為主芯片提供極優(yōu)的靜電保護(hù)效果，兩款器件都符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4規(guī)范，在 ±15kV（空氣）和 ±8kV（接觸）下提供瞬變保護(hù)，客戶可根據(jù)接口實(shí)際性能進(jìn)行選取。

方案二：

在方案二中我們?yōu)镃AN總線防護(hù)提供了另一種防護(hù)方案，在CANH和CANL兩條線上分別加上一個(gè)TVS（半導(dǎo)體放電管），型號(hào)為SMAJ24CA。該器件響應(yīng)速度快、鉗位電壓低，其鉗位電壓僅為38.9V，能迅速將靜電放電能量引導(dǎo)至地，將電壓鉗制在安全范圍內(nèi)，可保護(hù)CAN總線免受靜電放電（ESD）和浪涌事件的沖擊與干擾。

485芯片

在伺服驅(qū)動(dòng)器的通信接口芯片應(yīng)用中，一般會(huì)采用RS-485通信協(xié)議同外界進(jìn)行信號(hào)的通信傳輸，主要考慮到RS-485收發(fā)器具有更強(qiáng)的耐用性、高可靠性和強(qiáng)抗干擾等特性，另外伺服驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，應(yīng)用場景經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種形式的干擾源，因此RS-485接口需要保護(hù)內(nèi)部轉(zhuǎn)接線應(yīng)用一定要加有保護(hù)措施,免于受到靜電沖擊。

RS485是一種重要的串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)，湖南靜芯研發(fā)的ES3088E是常用于RS485通信的差分線驅(qū)動(dòng)器/接收器芯片。它通常用于將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，以便在長距離或高噪聲環(huán)境中進(jìn)行傳輸，同時(shí)也能接收差分信號(hào)并轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。當(dāng)兩芯片進(jìn)行差分信號(hào)的發(fā)送和接收時(shí)，將ESD防護(hù)器件連接于差分信號(hào)線之間，增強(qiáng)電路的可靠性和抗干擾能力。

SENC712A和SENC712HA是兩款專用于485防護(hù)的ESD器件，兩款器件電氣特性相似，工作電壓為7/12V，均能滿足IEC 61000-4-2 Level 4（±15kV空氣放電、±8kV接觸放電）靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及IEC 61000-4-5雷擊浪涌防護(hù)需求。但其中SENC712HA防護(hù)性能更優(yōu)異，峰值功率(PPK)和峰值電流（IPP）更高，可根據(jù)接口實(shí)際性能進(jìn)行選取。

總結(jié)與結(jié)論

伺服電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，幾乎涵蓋了工業(yè)自動(dòng)化和控制的方方面面。通過使用防靜電材料和設(shè)計(jì)防靜電結(jié)構(gòu)，可以減少靜電對(duì)伺服電機(jī)內(nèi)部電子元件的損害，延長電機(jī)的使用壽命，有助于減少靜電對(duì)伺服電機(jī)工作狀態(tài)的干擾，提高電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

以上是湖南靜芯的伺服電機(jī)系統(tǒng)靜電防護(hù)完整方案，希望能對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來幫助。湖南靜芯研發(fā)各種電容等級(jí)的ESD和TVS保護(hù)器件，可按照客戶需求性能與封裝提供定制化開發(fā)服務(wù)，為各種接口及通信線路提供值得信賴的保護(hù)器件，歡迎前來咨詢。

審核編輯 黃宇