直流無刷電機知識總結(jié)

電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。

近三十年來針對異步電動機變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。

無刷直流電機因為具有直流有刷電機的特性，同時也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國際通用名詞為BLDC。無刷直流電機的運轉(zhuǎn)效率、低速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關(guān)注。

無刷電機在我國的發(fā)展時間雖短，但是隨著技術(shù)的日益成熟與完善得到了迅猛發(fā)展。已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動車等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。如深圳偉業(yè)電機、長沙科達等一批專業(yè)廠商，在技術(shù)上不斷推進行業(yè)發(fā)展。近幾年來，無刷電機成為在模型領(lǐng)域里快速發(fā)展的一種動力。由于產(chǎn)量和價格的原因，過去幾年無刷電機多使用在中高檔航空模型中，現(xiàn)在由于機械加工技術(shù)的快速發(fā)展，無刷電機的生產(chǎn)成本下降許多，目前它正進入模型領(lǐng)域的各個層面，從電動遙控車到電動遙控船再到電動模型飛機，無處不在。

無刷直流電機通常采用雙閉環(huán)調(diào)速的速度控制方法。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由外環(huán)的速度環(huán)和內(nèi)環(huán)的電流環(huán)構(gòu)成。該控制系統(tǒng)中，主要以雙閉環(huán)PI控制技術(shù)為典型，但由于無刷直流電機的時變性、非線性和滯后性等特點，經(jīng)典PID控制對實際應(yīng)用中的情況適應(yīng)性較差，因此不能使電機控制達到理想效果。經(jīng)典PID控制器中，參數(shù)整定方法主要是試湊法，參數(shù)整定過程耗費時間長，需要設(shè)計人員有豐富的經(jīng)驗。為改善經(jīng)典PID控制效果，增強電機穩(wěn)定性和快速性，本文對無刷直流電機速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊控制的思想與經(jīng)典PID相融合，實現(xiàn)智能化控制。通過增加輸入和輸出隸屬度函數(shù)的個數(shù)，從而提高電機的控制性能。自適應(yīng)模糊PID控制算法中，KP（比例系數(shù)）、KI（積分系數(shù)）、KD（微分系數(shù)）各自使用獨立的一套規(guī)則，以適應(yīng)實際工作中各種情況的變化。

合適的數(shù)學(xué)模型既要使結(jié)果符合需求，又要求能夠掌握模型的實質(zhì)，使得應(yīng)用計算更加簡單，分析無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型，則首先它是要進行定量分析，且基礎(chǔ)是要對電機進行系統(tǒng)設(shè)計。

由于無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型是電壓方程（輸入為電壓）和轉(zhuǎn)矩方程組成的，因此舉兩極三相無刷直流電機的例子，采用“Y”形的集中整距繞組作為定子繞組，使用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，空間中，每隔120°均放置一個霍爾傳感器。除此之外，為了簡化分析過程，需要約定以下條件：

① 不考慮磁滯損耗和渦流損耗；

② 電機電樞的反應(yīng)不計；

③ 忽略電機內(nèi)部齒槽間效應(yīng)；

④ 逆變電路中的續(xù)流二極管和MOSFET均有完美的開關(guān)特性。

以上條件在實際應(yīng)用中，可以忽略不計，因為他們對整體分析的結(jié)果影響不大，反之，若沒有以上約定條件，在分析電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的點此關(guān)系上，就變得十分復(fù)雜，而且有些情況根本無法得出解析解。通過上述分析可得，如圖1和圖2所示，為無刷直流電機外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)部繞組的等效電路。

磁鏈大小取決于永磁體分布的磁場情況，而磁場的徑向分量的分布是沿著定子內(nèi)徑表面以梯形形狀。如圖3中a、b所示，為繞組永磁磁通示意圖。

圖3a表示的是外轉(zhuǎn)子磁極的磁感應(yīng)強度B的分布情況。假設(shè)磁感應(yīng)強度向外的方向為正方向，而由圖3b中可知，在0°時正反方向交界處的磁感應(yīng)強度是0，隨著線性關(guān)系的增加，在X點處強度最大，之后進入穩(wěn)定態(tài)且在Y點時下降，當?shù)竭_180°時強度為0，隨后負向增大，到Z點最大，隨之維持恒定，最終到達W點降低到0。不同的電機，其A所處的位置是不同的。倘若X與0°位置接近，則線越陡，這樣“梯形波”就變成了“方波”。

由于電機內(nèi)部存在繞組電感，使得電機換相的過程中電流變化被限制，從而導(dǎo)致定子電流的波形不是理想的矩形波。并且，每個相之間的換流過程存在時間上的延誤，造成換向的轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象。與此同時，沒有進行換向的那一相，其相電流會出現(xiàn)很大的電壓降。

感應(yīng)電動勢和直流電源的大小決定了電機定子繞組參數(shù)和換流相上電流的升降時間。要使轉(zhuǎn)矩脈動不發(fā)生，通過換流時間的掌握是可以達到的，另外除了換流過程中的兩相，未經(jīng)換流的這一相在此過程中，電流波形的頂端存在可以引起轉(zhuǎn)矩脈動的波谷。下面以電機AB相換AC相為例分析。

逆變橋電流自正極流出，經(jīng)A相和B相后，回到負極，此時該回路電流達到穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)A相電流為I，則B相電流為-I，C相電流為0。隨著MOS管開關(guān)改變，從而進行換向工作，在此換向過程中，B相的電流不會直接為0，為換向過程中B相續(xù)流。由于負極端電位強制為零，二極管有一個正向壓降，所以電流會通過與電機B相下橋臂MOS管并聯(lián)的續(xù)流二極管、C相下橋臂MOS管、B相和C相的電阻和繞組構(gòu)成的續(xù)流回路。為換向后達到穩(wěn)定狀態(tài)的A相和C相電流導(dǎo)通圖，此時A相電流為I，則B相電流為0，C相電流為-I。其他換向過程分析同理。為了消除低速時的電流脈動，通常采用移向法，即控制MOS管的開關(guān)時間來消除此脈動。

無刷直流電機速度控制原理

無刷直流電機（Brushless DC Motor，BLDCM）分為梯形波和方波兩種，該類電機具有串勵直流電機啟動特性和并勵直流電機調(diào)速特性。按結(jié)構(gòu)特點分為內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機和外轉(zhuǎn)子無刷直流電機。本設(shè)計中選擇三相六繞組四極對數(shù)外轉(zhuǎn)子無刷直流電機，外轉(zhuǎn)子電機將原來中心位置的磁鋼做成一片片并貼到了外殼上，當電機運行時，中間的定子不動只有外殼在轉(zhuǎn)，它和內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機是有區(qū)別的。

因轉(zhuǎn)子的主要質(zhì)量都集中在外殼上，外轉(zhuǎn)子無刷直流電機比內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量要大很多，因此電機轉(zhuǎn)速慢。轉(zhuǎn)子無刷直流電機通常kV值在幾百到幾千之間，可以直接裝在車模上驅(qū)動車體移動，不需要機械減速裝置。無刷電機kV值是輸入電壓每增加1伏特是電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值，簡寫為/V。例如，在11伏的電壓下且外轉(zhuǎn)子無刷電機的標稱值為1000kV時，其最大空載轉(zhuǎn)速為11rpm（轉(zhuǎn)/分鐘）。圖8所示，為外轉(zhuǎn)子無刷直流電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖中所示電機是與本設(shè)計中無刷直流輪轂電機原理相同的一款小型外轉(zhuǎn)子無刷直流電機。

圖8 外轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由此可知，外轉(zhuǎn)子無刷直流電機繞組繞法如圖9所示，其中圓心處三根線是互相絕緣的。電機的旋轉(zhuǎn)要根據(jù)在電機內(nèi)部不同位置上安裝的三個霍爾傳感器感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，然后遵循一定的通電換向順序，使無刷直流電機旋轉(zhuǎn)起來。

圖9 外轉(zhuǎn)子繞組方式

無刷直流電機的速度控制系統(tǒng)的控制方法可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。常用的控制方法一般為雙閉環(huán)調(diào)速，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)（轉(zhuǎn)矩環(huán)），外環(huán)為速度環(huán)（電壓環(huán)）。目前大部分無刷直流電機通常使用開關(guān)方式驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，利用PWM脈寬調(diào)制從而控制電樞電壓。微控制器輸出PWM脈沖，將PWM的占空比設(shè)置小，會減小電樞電壓，反之將占空比設(shè)置大，則會增大電樞電壓。從MCU中輸出的脈沖，由于帶載能力有限，所以需通過特定的驅(qū)動芯片、驅(qū)動電路，以此可驅(qū)動電機執(zhí)行制動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)等動作。

輸入輸出電壓波形和開關(guān)驅(qū)動方式的原理如圖10所示。

圖10左圖中，U_i為MOSFET V₁的柵極脈沖輸入：U_i為“1”時，V₁導(dǎo)通，電機的電樞上則有來自電源的電壓U_i；t₁時間后，U_i為“0”，V₁截止，電樞電壓為0。t₂時間后，U_i又為“1”，V₁循環(huán)之前的過程。

盡管不同的電機繞組和磁極的數(shù)量、種類有所不同，但是直流無刷電機控制角度的通電順序都是相同的。無論電機是外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子工作都需要遵循AB→AC→BC→BA→CA→CB的順序進行通電換相。若讓電機反轉(zhuǎn)，則可以按倒過來的次序通電。如圖11所示，為無刷直流電機逆變電路。

圖11中，Q1到Q6均為功率場效應(yīng)管。打開Q1與Q4并使得其他場效應(yīng)管為截止態(tài)，此時電流流過POWER→Q1→線圈A→繞組B→Q4→CURRENT ，最終實現(xiàn)AB的導(dǎo)通，其中POWER為24V。場效應(yīng)管依次按照Q1Q4，Q1Q2，Q3Q2，Q3Q6，Q5Q6，Q5Q4的順序打開，對應(yīng)著相位AB，AC，BC，BA，CA，CB的導(dǎo)通。每個功率場效應(yīng)管旁，都有一個二極管，該二極管是線圈由于自身電感的作用產(chǎn)生極高的瞬時反電動勢（U=L·di/dt）而擊穿元器件。本設(shè)計中所選的功率場效應(yīng)管IRF540S內(nèi)部集成這這個二極管。從而對設(shè)計PCB節(jié)省了空間并且增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。功率場效應(yīng)管選擇IRF540S，最高耐壓100V，最大電流23A，源極與漏極間導(dǎo)通電阻小于77mΩ，柵源電壓為±20V。

假設(shè)圖4中Q1和Q4導(dǎo)通則需要AB相通電。由于場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻R_PS為毫歐級，其壓降V_PS一般忽略不計，因此A點的電位近似為24V，B點為0V。A點的電位決定了Q4是否能導(dǎo)通，依靠控制器I/O口的輸出就可以滿足Q4導(dǎo)通時需要的大于4V的柵極電壓。Q1的柵極電壓至少為24+4=28V的時候才可以導(dǎo)通，28V的電壓已超過了電源提供的電壓，因此只依賴單片機與三極管搭建的電路是無法實現(xiàn)的。所以采用IR2136驅(qū)動該橋式電路和自舉電路，驅(qū)動電路和自舉電路如圖5所示。IR2136電源電壓為10-20V，電流峰值200mA，內(nèi)置400ns的死區(qū)時間，以防止同一橋臂上下兩個MOSFET同時導(dǎo)通，驅(qū)動電路采用6個N型場效應(yīng)管，并配以自舉升壓電路。

無刷直流電機是一種由凸極磁鐵轉(zhuǎn)子或永磁和電樞（定子）繞組組成的電機。通過由譯碼器及轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的直流電源給定繞組和止開關(guān)期間供電。電機的直流側(cè)電壓大小與轉(zhuǎn)速在沒有調(diào)節(jié)器的情況下成正比例關(guān)系，即無刷直流電機與異步電機和直流電機的區(qū)別是定子上不存在永磁體，磁勢由電流進入點數(shù)繞組后產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子是永磁體不用感應(yīng)線圈和勵磁電流，與直流電機的機械換向方式不同，無刷直流電機采用電子換向方式，由霍爾傳感器輸出換向點的信號。

由霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生變換的磁場，三個霍爾傳感器貼在定子繞組上，通過它輸出磁場狀態(tài)對應(yīng)的信號，由霍爾傳感器輸出的信號被電機控制系統(tǒng)檢測，以此判斷轉(zhuǎn)子當前位置，檢測精度為每60°電角度信號輸出變化一次，也就是說轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)60°電角度，定子電流需要進行一次換相，一個周期內(nèi)需要進行六次換相。為此，本文使用三路霍爾信號組成的六種（除去000和111狀態(tài)）不同狀態(tài)表示位置傳感器的信號，以表示轉(zhuǎn)子在360°電角度范圍內(nèi)的六個不同位置。圖12為霍爾信號與IGBT導(dǎo)通時序圖。

圖13所示為霍爾傳感器電路。由于STM32芯片中“1”電平對應(yīng)的電壓為3.3V，所以此處通過分壓電阻R24、R2、R26使得輸入STM32芯片的三個I/O口HALL_A、HALL_B、HALL_C分別為3.3V。無刷直流電機的三路霍爾信號其分別與STM32的3個I/O 口 PD2、PD1、PD0相連，STM32會通過這三路霍爾信號，對相應(yīng)的PWM脈沖時序在軟件程序中進行設(shè)置。

通常情況下霍爾傳感器有五根線，分別為電源線、地線、A相位置線、B相位置線和C相位置線?；魻杺鞲衅饔芯€性和開關(guān)型兩種，在作為位置傳感器所用的類型為開關(guān)型。如圖14所示，為霍爾IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它和放大電路集成在一起，輸出為集電極開路，所以在使用時必須外接上拉電阻，霍爾元件由+5V電源供電。位置傳感器輸出的信號經(jīng)濾波后分別輸入到 STM32的脈沖捕捉單元三個引腳HALL_A、HALL_B和HALL_C上。當檢測到三個霍爾傳感器輸出的信號發(fā)生上升沿與下降沿電平跳變時，便為無刷直流電機的換相時刻，此時將脈沖捕捉口設(shè)置成普通的 I/O口，然后讀這三個引腳HALL_A、HALL_B和HALL_C組成的電平邏輯狀態(tài)，便可以得到轉(zhuǎn)子所處的位置。

為了防止系統(tǒng)工作工程中電壓、電流的過大波動造成工作不穩(wěn)定，針對電機驅(qū)動主電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計了過壓、欠壓保護電路和過流保護電路。電壓過低或過高及電流過低都會導(dǎo)致電機工作異常，甚至損壞逆變器，因此保護電路對系統(tǒng)的正常運行必不可少。

（1）過壓、欠壓保護電路

如果電路突然出現(xiàn)故障或短路，電源電壓會突然下降，甚至可能變?yōu)榱?，這樣會使驅(qū)動電路和電機受到不同程度的破壞。因此設(shè)計欠壓、過壓保護電路可以有效的防止此類問題發(fā)生，其電路圖如圖15所示。STM32 I/O口最高耐壓3.6V，采樣范圍在0-3.3V之間，所以，加有分壓電阻，間接的得到電機電樞上的實際電壓值，然后通過LM358運算放大器將采樣電壓送到STM32的PA0端口處，進行電壓采樣。圖中Rl=R3=2k，這兩個電阻將電壓分壓后送到LM358中，這樣經(jīng)過分壓后的電壓保持在0.98V~1.63V范圍之內(nèi)，電機工作正常。當電源電壓過高，PA0端口處的采樣信號會送達STM32中，從而停止輸出PWM波，這樣可以起到保護電路板和電機作用。當PA0端口采樣到的電壓低于0.98V或高于1.63V，停止電機工作。

圖15 欠壓、過壓保護電路

（2）過流保護

無刷直流電機在空載狀態(tài)下高速轉(zhuǎn)動和有負載的情況下低速轉(zhuǎn)動，電流會超過額定值的1.5倍以上，因此需要過流保護電路來防止驅(qū)動電路板和電機因電流過大而燒壞。設(shè)計過程中，為了防止過流現(xiàn)象，需要實時的監(jiān)測電流，如果發(fā)生過流，就立刻通過程序?qū)?/span>PWM占空比降低，以此減小電流。

圖16 過流保護電路

如圖16所示過流保護電路，采樣電阻50毫歐。R4一端接地，電壓送到LM358中并與參考電壓進行對比，如果低于參考值，LM358輸出低電平，PWM占空比就會根據(jù)運算放大器LM358采樣的速度電壓進行閉環(huán)調(diào)速。如果電壓大于參考值，LM358的輸出為高電平，從而，通過程序就能對PWM占空比進行調(diào)整，完成過流保護功能。

（1）無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

（2）噪音低，運轉(zhuǎn)順暢

無刷電機沒有了電刷，運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小，運行順暢，噪音會低許多，這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持。

（3）壽命長，低維護成本

少了電刷，無刷電機的磨損主要是在軸承上了，從機械角度看，無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了，必要的時候，只需做一些除塵維護即可。上下一比較，就知道無刷電機相對于有刷電機的優(yōu)勢在哪里了，但是萬事都不是絕對的，有刷電機低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點是無刷電機不可替代的，不過就無刷電機的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢和國內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場競爭，無刷動力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進了模型運動的發(fā)展。

1、廚房用具

廚房中隨處可見電器的蹤影，比如攪拌機、榨汁機、咖啡機、打蛋器、電飯煲、食品加工機、谷物研磨機、立式攪拌機、碎肉機、電動切割刀等，無刷電機是這些廚房電器的動力核心。

2、白色家電

白色家電是指可以替代人們家務(wù)勞動的電器產(chǎn)品。其包括能減少人們的家務(wù)壓力的洗衣機洗碗機，以及改善生活質(zhì)量的空調(diào)冰箱。而空調(diào)，冰箱，微波爐散熱扇，吸油煙機，洗碗機，洗衣機熱水泵等內(nèi)部都有無刷電機。

3、智能家居

在使用家居設(shè)備的時候，也可以運用到直流無刷電機。比如使用排氣扇，電暖器等等。還有循環(huán)風(fēng)扇，增濕器，抽濕器，空氣清新器，冷風(fēng)機，皂液器，烘手機，智能門鎖，電動門，窗簾等。這些智能家居產(chǎn)品在品質(zhì)上是有一定保證的。地板也是家庭清潔的主要場所和對象，各種電動地板清潔產(chǎn)品也在不斷增加，如：地毯清潔機、電動吸塵器、手持式吸塵器、地板打磨機等。

掃地機器人

家居智能化正在逐步成為一個時代的趨勢。目前國內(nèi)的硅基動力也正致力于改進智能家具的無刷電機技術(shù)以及整套微動力系統(tǒng)的驅(qū)動。其主要研發(fā)領(lǐng)域涵蓋了風(fēng)扇類、地板清潔類、空氣改良類智能家具。

4、電機數(shù)碼領(lǐng)域

電子數(shù)碼領(lǐng)域是無刷電機普及最為廣泛、數(shù)量最大的領(lǐng)域，比如我們生活中常見的打印機、傳真機、復(fù)印機、磁帶記錄儀等等，在它們的主軸和附屬運動的帶動控制中，都要有無刷電機從中協(xié)助。

5、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域

在國內(nèi)，手術(shù)中使用的高速離心機、熱像儀等都使用了無刷電機。

6、汽車領(lǐng)域

一輛普通的家用轎車需要永磁電機20~30個，除了核心的發(fā)動機之外，像雨刷器、汽車空調(diào)、電動車窗等都有電機的身影，隨著現(xiàn)在技術(shù)的越來越成熟，相信汽車領(lǐng)域以后運用到的無刷電機將會越來越多。

電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)是指計算機系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，即能保持完成規(guī)定功能的能力。EMC設(shè)計的目的是使系統(tǒng)既不受外部電磁干擾的影響，也不對其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

電磁干擾是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。一般來說，產(chǎn)生電磁干擾需要同時具備三個條件。

（1）電磁干擾源：產(chǎn)生電磁干擾的任何元器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

（2）耦合途徑（或稱耦合通道）：能夠?qū)㈦姶鸥蓴_能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通路或媒介。

（3）敏感設(shè)備：如果有電磁能量從干擾源****出來的時候，周圍的生物會受到一定的傷害，以及會發(fā)生電磁危害從而導(dǎo)致性能降級或失效的元器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)。

以上三個條件稱為電磁干擾三要素，若要產(chǎn)生電磁干擾，這三個要素必須同時具備；反之若消除三個要素中的任何一個，電磁干擾的問題就不復(fù)存在了。

通過前面介紹的電磁干擾三要素可知，電磁兼容性設(shè)計，其核心就是對電磁干擾進行有效的消除或抑制。

電磁兼容技術(shù)即EMC技術(shù)，通過整體“對抗”、整體“疏導(dǎo)”和主動防御相結(jié)合對控制過程中的干擾現(xiàn)象進行策略性的消除。在經(jīng)歷過大自然各種災(zāi)害中總結(jié)而來的一系列策略，用到控制電磁危害中也十分有效。通常，該控制技術(shù)的方案策略主要有時間分隔、空間分隔、電器隔離、頻率管理和傳輸通道抑制這五大類。其中時間分隔又細分為雷達脈沖同步、被動時間分隔、主動時間分隔和時間共用準則；空間分隔細分為自然地形隔離、地點位置控制、電場矢量方向控制、方位角控制；電器隔離分為光電隔離、變壓器隔離、DC/DC變換、繼電器隔離；頻率管理主要有濾波、頻率管制、光電傳輸、數(shù)字傳輸、頻率調(diào)制；傳輸通道抑制包括搭接、接地、濾波、布線、屏蔽。傳統(tǒng)的抑制傳輸通道的主要方法有濾波、接地、布線等幾種。

（1）接地技術(shù)。該技術(shù)是電子設(shè)備設(shè)計過程中的重點考慮問題，通常，設(shè)計者設(shè)計接地時，主要有以下目的。

1）防止外界電磁場的干擾。

2）使整個系統(tǒng)的電路有一個統(tǒng)一的零電勢參考點，確保電路可以穩(wěn)定的工作。為了使電路的屏蔽體達到良好的屏蔽效果，應(yīng)選擇正確合適的接地。

3）保證安全工作?？杀苊怆娮釉O(shè)備在發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時的損壞；可避免因絕緣不良或其他原因直接與機殼相通，使工頻交流源的輸入電壓造成操作人員的觸電事故的發(fā)生。當機殼帶有110V或者220V電壓時，由于醫(yī)療設(shè)備與人體直接相連會引起致命的危險發(fā)生。

抑制噪聲和防止干擾的主要方法就是接地，它就是一個等電位點或者等電位面。地不單單只是指大地，其也是電路或系統(tǒng)的基準電位。電氣設(shè)備的外殼和機房的金屬構(gòu)件與大地相連接可以有效地防止因雷擊造成的損壞，并保證了工作人員的人身安全。接地的電阻不能夠超過規(guī)定值，一般都很小。

（2）布線技術(shù)。電磁兼容性設(shè)計在PCB（即印制電路板）的好壞上有著舉足輕重的地位，系統(tǒng)設(shè)計中的固有成分中包含PCB的設(shè)計，所以在設(shè)計PCB過程中，將電磁兼容性增強，不僅不會給最終產(chǎn)品成本提高，而且還能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強。實際PCB設(shè)計中，沒有一個嚴格的布線規(guī)定,也沒有專門的PCB布線規(guī)則，對PCB布線的最大限制莫過于電路板的要求，主要是銅板的層數(shù)和板子的尺寸大小，相同的布線技術(shù)可以在一種電路中應(yīng)用，但是換另一種電路中應(yīng)用時，有時卻不可行。

布線技術(shù)是在PCB設(shè)計并完成產(chǎn)品的過程中最重要的步驟之一，可以說前面的大部分準備工作都是為了布線做鋪墊，整個PCB設(shè)計中，數(shù)布線的過程要求最多，主要有很多的限定、細膩的技巧和長時間的工作量。按照板層分，PCB布線分為單面板、雙面板以及多層面板。布線的方式分為自動布線、手動布線以及交互式布線。交互式布線可以在自動布線前，先對嚴格要求的線路進行排布，為了防止反射干擾，應(yīng)避免相鄰兩根輸出端和輸入端的邊線平行，必要的情況下，需要使用地線隔離，保證相鄰兩層的線互相垂直，防止平行線路產(chǎn)生寄生耦合。

本設(shè)計中電源部分使用了大量的電容濾波。例如5V轉(zhuǎn)3.3V電路中，其濾波效果如圖17和圖18所示。圖17中顯示，是加濾波電容之前，電壓輸出的電壓幅度，最大值是200mV，最小值是-200mV；圖18中可看到，加濾波電容后電壓輸出的幅度，最大值是50mV，最小值是-50mV。由此可知，濾波電容可以有效的降低的干擾對后續(xù)電路的影響，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

硬件電路板即PCB板的制作，有以下幾點要求：

（1）器件布局  要確保對系統(tǒng)所需要的電子元器件尺寸、規(guī)格等參數(shù)正確。

（2）線寬選擇  信號線一般設(shè)置寬度為20mil，而電源線銅箔寬度則由電流大小決定，這是因為由于系統(tǒng)不間斷工作過程中，電路板會發(fā)熱，所以一般要保證至少通過兩倍的電流。

（3）輸入輸出信號線之間，要加地線，并將信號線間保證一定的安全距離，盡量不要使線出現(xiàn)90°轉(zhuǎn)彎，最好保證145°；信號線要盡量短，防止時間延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸錯誤；過孔盡可能的少。

（4）電源走線  通過電容、電感、0歐電阻以及磁珠等將不同的地線連接或直接將數(shù)字地和模擬地分隔開來，可以有效的防止電磁干擾現(xiàn)象。如果電源線的走線不合理，對系統(tǒng)的影響會很大。由于電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定，電容隔直通交，造成浮地，本系統(tǒng)采用0歐電阻，它相當于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制，對所有頻率的噪聲都有衰減作用。