伺服電機靜電防護完整方案

伺服電機是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能的裝置，通過接收控制信號來實現(xiàn)對電機轉(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，能夠?qū)㈦妷盒盘栟D(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動控制對象。伺服電機的類型多種多樣，廣泛應(yīng)用于機器人、醫(yī)學成像、實驗室自動化、食品和飲料生產(chǎn)、金屬成型等工業(yè)領(lǐng)域。

伺服電機的應(yīng)用環(huán)境比較復雜，可能會出現(xiàn)各種形式的干擾源，工作時負載與傳動系統(tǒng)之間的摩擦也會產(chǎn)生靜電，靜電電荷如果不能及時釋放，會聚積在伺服電機內(nèi)部，形成靜電場，還可能對伺服電機的電子元件造成損害。本文基于伺服電機系統(tǒng)的各模塊電路進行分解，介紹適合伺服電機系統(tǒng)的防護方案以及防護器件推薦。

伺服電機系統(tǒng)介紹

伺服電機的工作原理可以簡單概括為：輸入控制信號→伺服控制器→伺服電機→輸出運動。伺服系統(tǒng)由伺服電機、伺服控制器和反饋裝置三部分組成。伺服電機接收到一個脈沖信號后，會旋轉(zhuǎn)到一個與脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移。同時，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，因此每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖信號，以實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。驅(qū)動器為電機供電時，反饋裝置會對轉(zhuǎn)子的速率和位置進行監(jiān)測。驅(qū)動器通過控制電路接收此類信號并持續(xù)對提供給電機的電流和電壓進行調(diào)整，從而能夠即時糾正偏差，確保毫無誤差地執(zhí)行編程運動。

控制模塊

控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，實現(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控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(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器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理（ FOC） 和坐標變換，實現(xiàn)矢量控制（VC） ，同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制模式對電機進行控制。

驅(qū)動模塊

電機系統(tǒng)內(nèi)有相應(yīng)的反饋機制，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、高精度光學編碼器以及其他可選裝置確保運行。轉(zhuǎn)矩密度大、慣量小的伺服電機具備更佳的動態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)，能夠提升機器的生產(chǎn)率。伺服電機的設(shè)計和型號種類繁多，包括：交流電機 (AC)和直流電機 (DC)；刷電機和無刷電機；框電機、無框電機和模塊化電機；以及其他可選電機。

電源模塊

電源驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，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)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個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)動模塊

MOSFET在電機驅(qū)動中還可以作為電源開關(guān)，通過控制其導通和截止狀態(tài)來調(diào)節(jié)電機的供電電壓。由于電機的轉(zhuǎn)速與供電電壓成正比，因此通過調(diào)節(jié)電壓可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確控制。這種控制方式在直流電機和交流電機驅(qū)動中均得到廣泛應(yīng)用。除此之外，在電機運行過程中，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。通過監(jiān)測電機的電流和MOSFET的溫度，可以及時發(fā)現(xiàn)并處理過流和過熱情況，從而保護電機和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)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。目前很多伺服電機內(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總線進行數(shù)據(jù)傳輸與控制，拓展了伺服電機的功能與應(yīng)用范圍,使伺服電機能更好更靈活地應(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：

我們同時推薦湖南靜芯研發(fā)的SENC23T24V2BD和SENC23T24V2BC作為CAN總線的防護器件，這是兩款用于防止靜電放電、過壓等瞬態(tài)事件ESD防護器件。兩款器件內(nèi)部都集成了兩路對稱電壓24V的ESD防護器件，電氣特性相似，封裝相同，其中SENC23T24V2BD防護性能更優(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，客戶可根據(jù)接口實際性能進行選取。

方案二：

在方案二中我們?yōu)镃AN總線防護提供了另一種防護方案，在CANH和CANL兩條線上分別加上一個TVS（半導體放電管），型號為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至地，將電壓鉗制在安全范圍內(nèi)，可保護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)動器的通信接口芯片應(yīng)用中，一般會采用RS-485通信協(xié)議同外界進行信號的通信傳輸，主要考慮到RS-485收發(fā)器具有更強的耐用性、高可靠性和強抗干擾等特性，另外伺服驅(qū)動器的應(yīng)用環(huán)境比較復雜，應(yīng)用場景經(jīng)常會出現(xiàn)各種形式的干擾源，因此RS-485接口需要保護內(nèi)部轉(zhuǎn)接線應(yīng)用一定要加有保護措施,免于受到靜電沖擊。

RS485是一種重要的串行數(shù)據(jù)通信接口標準，湖南靜芯研發(fā)的ES3088E是常用于RS485通信的差分線驅(qū)動器/接收器芯片。它通常用于將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，以便在長距離或高噪聲環(huán)境中進行傳輸，同時也能接收差分信號并轉(zhuǎn)換為單端信號。當兩芯片進行差分信號的發(fā)送和接收時，將ESD防護器件連接于差分信號線之間，增強電路的可靠性和抗干擾能力。

SENC712A和SENC712HA是兩款專用于485防護的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）靜電防護標準及IEC 61000-4-5雷擊浪涌防護需求。但其中SENC712HA防護性能更優(yōu)異，峰值功率(PPK)和峰值電流（IPP）更高，可根據(jù)接口實際性能進行選取。

總結(jié)與結(jié)論

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

以上是湖南靜芯的伺服電機系統(tǒng)靜電防護完整方案，希望能對伺服電機系統(tǒng)設(shè)計帶來幫助。湖南靜芯研發(fā)各種電容等級的ESD和TVS保護器件，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器件，歡迎前來咨詢。

審核編輯 黃宇