伺服電機靜電防護完整方案

伺服電機是一種能夠將電能轉換為機械能的裝置，通過接收控制信號來實現對電機轉速、轉向和位置的控制。它具有高精度、高速度和高效率的特點，能夠將電壓信號轉化為轉矩和轉速，以驅動控制對象。伺服電機的類型多種多樣，廣泛應用于機器人、醫學成像、實驗室自動化、食品和飲料生產、金屬成型等工業領域。

伺服電機的應用環境比較復雜，可能會出現各種形式的干擾源，工作時負載與傳動系統之間的摩擦也會產生靜電，靜電電荷如果不能及時釋放，會聚積在伺服電機內部，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的各模塊電路進行分解，介紹適合伺服電機系統的防護方案以及防護器件推薦。

伺服電機系統介紹

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，會旋轉到一個與脈沖對應的角度，從而實現位移。同時，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，因此每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖信號，以實現精確的閉環控制。驅動器為電機供電時，反饋裝置會對轉子的速率和位置進行監測。驅動器通過控制電路接收此類信號并持續對提供給電機的電流和電壓進行調整，從而能夠即時糾正偏差，確保毫無誤差地執行編程運動。

控制模塊

控制單元是整個交流伺服系統的核心，實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器。所采用的數字信號處理器除具有快速的數據處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉換器、PWM發生器、定時計數器電路、異步通訊電路、CAN總線收發器以及高速的可編程靜態RAM和大容量的程序存儲器等。伺服驅動器通過采用磁場定向的控制原理（ FOC） 和坐標變換，實現矢量控制（VC） ，同時結合正弦波脈寬調制（SPWM）控制模式對電機進行控制。

驅動模塊

電機系統內有相應的反饋機制，通過簡單耐用的霍爾效應傳感器、能適應極端環境的旋轉變壓器、高精度光學編碼器以及其他可選裝置確保運行。轉矩密度大、慣量小的伺服電機具備更佳的動態響應表現，能夠提升機器的生產率。伺服電機的設計和型號種類繁多，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，得到相應的直流電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的轉化過程。

可用物料匯總

應用示例

驅動模塊

MOSFET在電機驅動中還可以作為電源開關，通過控制其導通和截止狀態來調節電機的供電電壓。由于電機的轉速與供電電壓成正比，因此通過調節電壓可以實現對電機轉速的精確控制。這種控制方式在直流電機和交流電機驅動中均得到廣泛應用。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能力和熱穩定性，因此可以用于電流保護。通過監測電機的電流和MOSFET的溫度，可以及時發現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實時控制的串行通信局域網絡，廣泛應用于控制系統中的各檢測和執行機構之間的數據通信。目前很多伺服電機內部都提供了CAN總線接口，使其很容易掛接到CAN總線上，通過CAN總線進行數據傳輸與控制，拓展了伺服電機的功能與應用范圍,使伺服電機能更好更靈活地應用于現代工業控制系統中。以下我們提供兩種CAN總線的應用方案。

方案一：

我們同時推薦湖南靜芯研發的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、過壓等瞬態事件ESD防護器件。兩款器件內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的靜電保護效果，兩款器件都符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4規范，在 ±15kV（空氣）和 ±8kV（接觸）下提供瞬變保護，客戶可根據接口實際性能進行選取。

方案二：

在方案二中我們為CAN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，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

在伺服驅動器的通信接口芯片應用中，一般會采用RS-485通信協議同外界進行信號的通信傳輸，主要考慮到RS-485收發器具有更強的耐用性、高可靠性和強抗干擾等特性，另外伺服驅動器的應用環境比較復雜，應用場景經常會出現各種形式的干擾源，因此RS-485接口需要保護內部轉接線應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據通信接口標準，湖南靜芯研發的ES3088E是常用于RS485通信的差分線驅動器/接收器芯片。它通常用于將單端信號轉換為差分信號，以便在長距離或高噪聲環境中進行傳輸，同時也能接收差分信號并轉換為單端信號。當兩芯片進行差分信號的發送和接收時，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防護性能更優異，峰值功率(PPK)和峰值電流（IPP）更高，可根據接口實際性能進行選取。

總結與結論

伺服電機在工業自動化領域應用廣泛，幾乎涵蓋了工業自動化和控制的方方面面。通過使用防靜電材料和設計防靜電結構，可以減少靜電對伺服電機內部電子元件的損害，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的干擾，提高電機的穩定性和可靠性。

以上是湖南靜芯的伺服電機系統靜電防護完整方案，希望能對伺服電機系統設計帶來幫助。湖南靜芯研發各種電容等級的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服務，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