畢業(yè)設計]淺析伺服系統(tǒng)中電磁兼容性設計和抗干擾措施.doc

淺析伺服系統(tǒng)中電磁兼容性設計和抗干擾措施關鍵詞：EMI電磁干擾、EMC電磁兼容性、預防型設計、規(guī)范施工、接地系統(tǒng)1.引言今天，伺服系統(tǒng)和CNC、PLC、變頻器、等其它自動化產品一樣，已經成熟應用于工業(yè)生產的各個領域。但是在實際應用中，總會出現(xiàn)一些干擾因素，影響伺服系統(tǒng)的正常工作，如脈沖不準，驅動器誤報等等，甚至造成設備失控和誤動作，威脅到人和機械的安全。出現(xiàn)這些問題后，設備廠家總會認為是產品缺陷，要求自動化供應商協(xié)助解決，甚至更換其它的品牌工控產品，現(xiàn)有工控產品便成了無辜的“替罪羔羊”。其實這種情況不論在進口產品和國產產品都會有發(fā)生的幾率，只是在進口的設備中，特別是歐美機械設備，比較注意產品的電磁兼容性（EMC）設計和安裝的規(guī)范，采取了必要的抗干擾措施，從而大大降低了干擾因素帶來的影響。工業(yè)控制設備的可靠性和穩(wěn)定性，不但取決于工業(yè)控制類產品的可靠設計、更取決于設備生產廠家的方案設計和施工安裝響。本文淺析了工控領域中伺服系統(tǒng)中常見的干擾因素，并結合筆者多年來的實際工作經驗闡述了常用的抗干擾措施，以希望幫助工程師和設備廠家能夠正確的使用我們的產品，來實現(xiàn)設備穩(wěn)定可靠的運行。2.何謂EMCEMC直譯就是電磁兼容性，是ElectroMagneticCompatibility的縮寫。國際電工委員會(IEC)對EMC的定義是指“設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力”。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產生的電磁干擾不能超過一定的限值（EMI）；另一方面是指組件對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(EMS)。簡單的說，就是電子設備的干擾性和抗干擾能力。無論是CNC、PLC、伺服系統(tǒng)、變頻器都會產生電磁干擾，同時也受到其它設備的干擾。如變頻器、伺服驅動器等PWM設備自身就是大的干擾源，但同時他們也是電子設備，控制板也同樣會受到其它產品的干擾。CNC和PLC自身產生的電磁干擾小，但要注意它們的抗干擾性。很多工程師在設計時，往往會忽略這些細節(jié)。當后期到達客戶現(xiàn)場后，才發(fā)現(xiàn)無法抵御外部干擾或者產生了干擾其它設備的情況，到時再“亡羊補牢”。EMC最為重要的一條準則是“預防是最有效的、最經濟的方案”，因此合理的設計和規(guī)范的施工是提高工控產品和機械設備穩(wěn)定運行的關鍵性因素和前提條件。3.伺服系統(tǒng)中干擾類型和途徑（1）來自空間的-輻射干擾來自空間的輻射干擾分布極為復雜，字面上理解這類的干擾源和被干擾產品間沒有直接的聯(lián)系，通常都是電磁感應的形式在空間傳播的。在民用領域中，這類干擾像空氣一樣也無處不在，如打手機時，電視機的圖像會產生雪花點等。飛機飛行中禁止使用遙控玩具和電子類產品也是基于杜絕輻射干擾的考慮。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，輻射干擾源主要由是大型放電加工，高頻加熱設備對電網噪音污染，如高頻淬火機床，CNC等離子切割設備。變頻器和伺服驅動器在運行時也會通過電網電線對其它控制類設備發(fā)射的噪音信號。電柜中大電流交直流接觸器或者繼電器線圈頻繁吸合產生的浪涌沖擊，也同樣會產生噪音污染。對付輻射干擾最為有效的措施就是金屬屏蔽。（2）來自系統(tǒng)配線傳導干擾這類干擾在工業(yè)控制領域比較常見，干擾的途徑多為自控系統(tǒng)中的變頻器和伺服驅動器產生的噪音，經由電源電纜、信號電纜或者錯誤的接地電纜等，傳導到系統(tǒng)的其它電子設備，從而影響到機械設備的穩(wěn)定性運行。對付傳導干擾的有效措施就是采用電源濾波器、隔離電源、屏蔽電纜、以及合理和可靠的接地來解決問題。伺服系統(tǒng)中噪音干擾的途徑4.伺服系統(tǒng)的抗干擾措施通過以下措施可以有效降低電磁干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾性。（1）電氣控制柜的設計和安裝電柜設計必須使用金屬材料，在電柜設計時，要根據EMC的區(qū)域原則，合理的布局。將不同的設備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，伺服放大器或者變頻器、等驅動單元應盡量靠近安裝在柜子的底部，使用接地金屬隔離板將區(qū)域隔離，或者獨立安裝在金屬電柜中，遠離PLC和CNC等其它電磁干擾小的電氣組件。電柜中，電氣元器件的安裝要根據其安裝的要求留有一定得空間，以保證良好的通風和散熱，不要阻擋風扇的正常流通。電柜中布線應強弱分開，信號線和動力線要分開走線，不要將380/220VAC和24VDC以下規(guī)格電纜共享同一個電纜槽。變頻器和伺服驅動放大器單元到電機動力電纜應使用金屬屏蔽層的電纜，電纜線應該盡量的短，以避免功率損耗，減少干擾。電纜的屏蔽層的電導至少是U/V/W相導線線芯電導的1/10。電機電纜和其它電纜長距離最小為500mm，應避免長距離平行走線，交叉走線，當控制電纜和電源電纜交叉，應保證90交叉，同時必須用金屬夾子將電纜屏蔽層固定在安裝板上。電網進線地線傳導干擾輻射干擾上位機控制器SERVO電機電機電纜電柜通風開孔要使用密集金屬網格，切口越小越好。因為狹孔可能在電柜中傳導輻射高頻信號。電柜的柜門和電纜的進線口要可靠接地，避免電柜內部的干擾磁場通過屏蔽電纜泄漏出去。柜門要使用有傳導性的密封墊，緊貼柜體。這些措施在放電加工設備尤為重要。AC接觸器和DC繼電器安裝要遠離I/O部件和信號電纜，并且要使用正確的RC抑制組件和飛輪二極管，減少線圈吸合時噪音污染。不正確的安裝接觸器吸合時帶來的電磁干擾（2）電源部分考慮動力變壓器選用-臺達的伺服系統(tǒng)在1.5KW以下，支持單相AC220V電源輸入。但2KW7.5KW，就需要AC380/AC220S三相動力變壓器來提供動力電源。變壓器的隔離在一定程度上也提高了設備的抗干擾能力，對于金屬切削加工設備，如CNC車、銑床，我們都建議客戶使用三相AC220V動力變壓器，因為這樣可以減少用戶電網的波動對加工效果的影響。變壓器的容量一般選擇驅動器功率總和的1.52倍。當變壓器容量不足時，變壓器會發(fā)熱，會影響電機扭力的平穩(wěn)輸出。除提供伺服系統(tǒng)的動力變壓器外，設備可能還需要使用單相AC220V提供上位機工作，如PLC，CNC等，我們建議客戶增加一臺獨立的AC220V控制變壓器的來提供控制電源，不要和驅動器動力部分使用同一個AC220V電源,因為伺服驅動器產生的噪音，有可能會影響CNC和PLC的工作。對于直流DC開關穩(wěn)壓電源可以提供I/O模組工作或者外部傳感器的工作電源，使用這個電源時要考慮足夠的容量，至少留有20%的余量。同時DC電源要有足夠的抗沖擊能力，以保證負載突變時，維持一個穩(wěn)定的電壓輸出，要求變化率不能大于5%。DELTA臺達DVP&CLIQ系列開關電源出色表現(xiàn)直流DC開關穩(wěn)壓電源組件要可靠地接地。當使用大電流的DC24V電磁閥、離合器或者伺服電機電磁剎車線圈時，不能使用這個穩(wěn)壓電源，因為負載的沖擊，有可能造成PLC和CNCI/O模組信號的誤動作。當使用DC24V繼電器時，要使用飛輪二極管以減少線圈吸合時噪音污染。Max5%（3）接地部分考慮合理和可靠的接地是解決傳導性干擾最為有效地方法，但錯誤的接地不但不能減少干擾，反而成為干擾的“幫兇”。在國內，供電系統(tǒng)因為大部分使用的是TN-C三相四線制供電環(huán)境,PE線和N線合一，設備間噪音干擾大，所以處理起來也最為頭痛！接地根據用途分類可以分為信號地、屏蔽地、保護地。信號地GND提供給控制信號的基準電平（0v）屏蔽地SG是為了運行可靠，抵抗外部干擾而提供的將內部和外部噪音隔離的屏蔽層，各組件的機殼、金屬外罩、安裝板，以及電纜的屏蔽層連接在一起。系統(tǒng)地PE是將各設備機殼與大地相連，以保證有漏電發(fā)生時，可以保證人員安全，同時也確保干擾噪音流入大地。接地系統(tǒng)電柜中所有的電氣組件接地端子（變頻器、PLC）都要使用短而粗的接地線可靠的連接到公共接地點或者接地母排PE上，嚴禁將接地端子隨意的連接在電柜的金屬外殼上。強電功率線屏蔽層處理-如驅動器輸入電纜、電機U/V/W電纜、接觸器線圈屏蔽電纜等，電壓等級在24V以上的屏蔽電纜的金屬屏蔽層要采用金屬卡子卡在強電接地板上。信號線屏蔽層處理-如電機的編碼器信號線線、傳感器信號線，變頻器控制線、伺服控制線等，電壓等級在24V以上的電纜，必須使用雙絞屏蔽電纜！屏蔽電纜兩端的金屬屏蔽層要采用金屬卡子卡在信號線接地板上，或者連接到插頭的屏蔽卡子或接頭的金屬外殼部分！只有在特殊情況才做單邊屏蔽！信號線回路和強電回路電纜不能夠捆扎在一起，分開走線。如果靠的太近，強電信號就會對弱電信號進行干擾，兩者可以成90交叉，但嚴禁長距離平行走線安裝。電柜中最小距離20cm以上，強電接地板和信號線接地板不能共享一塊金屬板接地，兩者要保持一定距離，并且要使用短而粗的電纜連接到公共接地導線。信號電纜布線要遠離變頻器、變壓器、伺服驅動器、接觸器等可以產生嚴重磁場干擾的設備。雙端屏蔽-一般情況下，如果源端和接收端設備兩邊都接地，屏蔽電纜兩端都要接金屬機殼，并確保大面積接觸金屬表面以便能承受高頻干擾。如果僅僅在一端接地屏蔽，電纜上也可能出現(xiàn)干擾。單邊屏蔽-在極少數(shù)情況下，也可以只進行一端屏蔽。例如，不帶數(shù)字符件的純模擬系統(tǒng)。在一端進行屏蔽僅僅提供了對低頻的靜電保護，有能力耦合吸收干擾和發(fā)射。單端屏蔽的屏蔽聯(lián)接屏蔽點必須是聯(lián)接部件的電氣參考地。如果聯(lián)接兩邊(源端和接收端)都處于浮地狀態(tài)，則屏蔽必須接在接收端。如果源端和接收端兩邊都接地，則屏蔽必須兩端都接地。（4）EMI電磁濾波器的使用當變頻器或者伺服驅動器工作在一個對電磁干擾較為敏感的場合，那么你就必須考慮為它們選用EMI電磁濾波器，可以防止此類設備產生的干擾耦合到外部電源回路中，使驅動器電磁干擾影響降至最低。EMI的安裝注意事項為了確保EMI濾波器（EMIFilter）能發(fā)揮最大的抑制伺服驅動器干擾效果，除了伺服驅動器，按照使用手冊的內容安裝及配線之外，還需注意以下幾點：A.伺服驅動器及EMI濾波器（EMIFilter）都必須要安裝在同一塊金屬平面上。B.伺服驅動器及EMI濾波器（EMIFilter）安裝時，請盡量將伺服驅動器安裝在EMI濾波器（EMIFilter）之上，。C.配線盡可能的縮短。D.金屬平面要有良好的接地。E.伺服驅動器及EMI濾波器（EMIFilter）的金屬外殼或接地必須很可靠的固定在金屬平面上，而且兩者間的接觸面積要盡可能的大。選用電機線及安裝注意事項電機線的選用及安裝正確與否，關系著EMI濾波器（EMIFilter）能否發(fā)揮最大的抑制伺服驅動器干擾效果。請注意以下幾點：A.使用有屏蔽銅網的電纜線（如有雙層屏蔽層者更佳）。B.在電機線兩端的屏蔽銅網必須以最短距離及最大接觸面積去接地。C.電機線的屏蔽銅網與金屬平面的