伺服系統(tǒng)感應(yīng)電及EMI干擾問題的解決方法.doc

伺服系統(tǒng)感應(yīng)電及EMI干擾問題的解決方法1. 感應(yīng)電及EMI干擾問題現(xiàn)象伺服系統(tǒng)（伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)）上電待機(jī)時(shí)，所有設(shè)備工作正常；伺服系統(tǒng)在使能或者伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)設(shè)備帶電，觸摸時(shí)有麻手感；伺服系統(tǒng)在使能或者伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，控制、測(cè)量設(shè)備（如PLC、計(jì)算機(jī)、觸摸屏等）有采集數(shù)據(jù)有偏差、控制精度降低、丟失數(shù)據(jù)或指令脈沖等現(xiàn)象；干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲的干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、偶發(fā)噪聲等：按聲音干擾模式不同，分為差模干擾（注）和共模干擾（注）。共模干擾是信號(hào)對(duì)地面的電位差，主要是由電網(wǎng)串入，地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)電壓所加形成。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的電器供電室，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成共模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件壞，這種共模干擾可為直流、亦可謂交流。共模干擾是指用于信號(hào)兩級(jí)間得干擾電壓，主要由空間電磁場在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種讓直接疊加在信號(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度。常見的干擾現(xiàn)象有以下幾點(diǎn)：1) 系統(tǒng)發(fā)指令時(shí)，電機(jī)無規(guī)則地轉(zhuǎn)動(dòng);2) 信號(hào)等于零時(shí)，數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳;3) 傳感器工作時(shí)，PLC采集過來的信號(hào)與實(shí)際參數(shù)所對(duì)應(yīng)得信號(hào)值不吻合，且誤差值是隨機(jī)的，無規(guī)律的;4) 與交流伺服系統(tǒng)共用同一電源工作不正常。2. 感應(yīng)電及EMI干擾產(chǎn)生概述1) 伺服系統(tǒng)感應(yīng)電及EMI干擾問題不屬于漏電問題。漏電本質(zhì)是設(shè)備在一定的環(huán)境或外力條件下，電氣絕緣性能下降或絕緣遭到破壞而出現(xiàn)設(shè)備外殼帶電的現(xiàn)象?，F(xiàn)市場上主流驅(qū)動(dòng)器（包括國產(chǎn)和進(jìn)口）都采用PWM調(diào)制方式產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)電壓，PWM調(diào)制方式都會(huì)采用電力電子開關(guān)器件（如IGBT、IPM模塊等）。而這些電力電子開關(guān)器件動(dòng)作時(shí)在設(shè)備外殼感應(yīng)出的電壓和電流且能量較?。ㄒ话愀袘?yīng)電流不超過50mA），不會(huì)對(duì)人體和設(shè)備造成破壞性損害；2) EMI問題分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，傳導(dǎo)干擾主要是由于干擾源產(chǎn)生干擾（共模、差模電流和電壓），經(jīng)過傳播途徑（設(shè)備外殼、多點(diǎn)接地、傳輸線路回路），在敏感器件引起現(xiàn)場設(shè)備通信中斷、采集數(shù)據(jù)偏差、控制精度降低、數(shù)據(jù)或指令脈沖傳輸丟失等現(xiàn)象，從而影響設(shè)備的正常工作。3) 伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)一般電壓、電流等級(jí)較低，電磁干擾的空間輻射能力較小。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸一般采用差分器件或者光耦器件等進(jìn)行隔離，可以消除大部分的差模傳導(dǎo)干擾。大部分現(xiàn)場干擾問題主要來自共模電壓和共模電流干擾。共模電壓和共模電流與感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流本質(zhì)相同，屬于含電力電子開關(guān)器件設(shè)備固有的一種屬性，無法完全消除。3. 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)感應(yīng)電產(chǎn)生機(jī)理3.1. 伺服驅(qū)動(dòng)器感應(yīng)電產(chǎn)生機(jī)理1) 伺服驅(qū)動(dòng)器中電力電子開關(guān)器件由于散熱需求一般安裝在散熱器上；2) 如圖1 所示，IGBT由于外殼帶有極性，一般通過導(dǎo)熱絕緣墊安裝在散熱器上。IPM模塊等則直接安裝。由于引入內(nèi)部絕緣和外部絕緣，則等效于器件集電極與散熱面或器件外殼的分布電容C；圖1 電力電子開關(guān)器件安裝等效電路3) 如圖2所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器使能時(shí)，開關(guān)器件PWM調(diào)制，開關(guān)器件由于對(duì)直流側(cè)電壓（一般驅(qū)動(dòng)器內(nèi)直流電壓在300和530左右）進(jìn)行斬波處理，瞬間的電壓變化量（dV/dt）在500V/us1000V/us甚至更高，此時(shí)通過分布電容C則產(chǎn)生了感應(yīng)電（i=C*dV/dt），nF級(jí)分布電容則可引起mA級(jí)的感應(yīng)電流。圖2 電力電子開關(guān)器件感應(yīng)電產(chǎn)生原理4) 感應(yīng)電與驅(qū)動(dòng)器的直流側(cè)電壓、開關(guān)器件動(dòng)作時(shí)間、分布電容大小等有關(guān)，一般功率越大、輸入電壓越高的伺服驅(qū)動(dòng)器感應(yīng)電越強(qiáng)。3.2. 伺服電機(jī)外殼感應(yīng)電產(chǎn)生機(jī)理1) 伺服電機(jī)內(nèi)部繞組由銅線組成，U、V、W三相輸入電壓由伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)開關(guān)器件PWM調(diào)制；2) 如圖3所示，伺服電機(jī)由于氣隙存在，同時(shí)為了提高絕緣等級(jí)、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐潮耐腐蝕性，一般采用樹脂骨架包裹、聚脂薄膜包覆、醇酸漆沉浸等工藝處理，因此電機(jī)同繞組與電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子等效為分布電容C；圖3 伺服電機(jī)感應(yīng)電產(chǎn)生原理3) 當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器使能時(shí)，瞬間的電壓變化量（dV/dt）通過電機(jī)的分布電容C則產(chǎn)生了感應(yīng)電（i=C*dV/dt），原理與驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生感應(yīng)電相似。4) 感應(yīng)電與電機(jī)所用驅(qū)動(dòng)器的性能有關(guān)（直流側(cè)電壓、開關(guān)器件動(dòng)作時(shí)間），與電機(jī)制造工藝、絕緣厚度、鐵芯長度、氣隙等有關(guān)，一般容量越大的伺服電機(jī)感應(yīng)電越強(qiáng)。4. 伺服系統(tǒng)感應(yīng)電測(cè)量4.1. 三相四線制系統(tǒng)（TN-C）（注）測(cè)試1) 三相四線制系統(tǒng)（TN-C）中性線（N）（注）與地線（PE）（注）是連接的，一般稱之為三相四線制系統(tǒng)。檢查設(shè)備現(xiàn)場中性線與地線是否連接良好，方法：如圖4所示打開配電柜，用萬用表交流檔測(cè)試中性線（N）與地線（PE或者配電柜金屬裸露部分）壓差不大于10V可認(rèn)為連接良好；圖4 現(xiàn)場電氣配電柜示意圖2) 連接伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)放在有絕緣材料的工作臺(tái)上，確保伺服電機(jī)與工作臺(tái)面、地面絕緣；3) 伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置好參數(shù)并使能（可空載測(cè)試或僅使能），將萬用表設(shè)置到交流200V檔，紅表筆接伺服系統(tǒng)外殼，黑表筆接中性線（N），萬用表顯示讀數(shù)即為伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)電壓。（萬用表必須是可測(cè)量交流電壓真有效值的萬用表，否則可能由于諧波含量高造成讀數(shù)不準(zhǔn)確）；4) 保持3）狀態(tài)，將交流毫安表一端連接伺服系統(tǒng)金屬外殼，一端接中性線（N），交流毫安表顯示讀數(shù)即為伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)電流。4.2. 三相五線制系統(tǒng)（TN-S）（注）測(cè)試1) 連接伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)放在有絕緣材料的工作臺(tái)上，確保伺服電機(jī)與工作臺(tái)面絕緣；2) 伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置好參數(shù)并使能（可空載測(cè)試或僅使能），將萬用表設(shè)置到交流200V檔，紅表筆接伺服系統(tǒng)外殼，黑表筆接地線（PE），萬用表顯示讀數(shù)即為伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)電壓。（萬用表必須是可測(cè)量交流電壓真有效值的萬用表，否則由于諧波造成讀數(shù)不準(zhǔn)確）；3) 保持2）狀態(tài)，將交流毫安表一端連接伺服系統(tǒng)金屬外殼，一端接地線（PE），交流毫安表顯示讀數(shù)即為伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)電流。5. 伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)電及EMI干擾問題解決5.1. 接地接地是最有效解決伺服系統(tǒng)使能后感應(yīng)電引起的麻手、EMI干擾等問題，但前提是接地必須是有效且良好。1) 現(xiàn)場供電系統(tǒng)為三相五線制系統(tǒng)（TN-S），如圖5所示將伺服系統(tǒng)金屬外殼通過導(dǎo)線直接與設(shè)備內(nèi)保護(hù)地線PE連接，導(dǎo)線電阻不大于1；圖5 圖4 現(xiàn)場接地示意圖2) 現(xiàn)場供電系統(tǒng)為三相四線制系統(tǒng)（TN-C），首先確認(rèn)現(xiàn)場配電柜中中性線N與地線PE連接良好（方法見4.1.1），然后將伺服系統(tǒng)金屬外殼通過導(dǎo)線直接與中性線N連接，導(dǎo)線電阻不大于1；5.2. 濾波濾波器主要是作用于設(shè)備傳輸線路的輸入輸出端口，消耗噪聲干擾在線路中傳播的能量，起到抑制噪聲的目的。1) 輸入濾波電抗器在大功率伺服系統(tǒng)供電輸入端口加裝輸入濾波電抗器以改善電網(wǎng)諧波對(duì)驅(qū)動(dòng)器電流造成畸變的影響。輸入濾波電抗器容量選擇，應(yīng)使在額定電壓和額定電流的條件下，電抗器上的壓降在額定電壓的2%5%范圍內(nèi)。電抗器電感選擇：其中V為額定電壓（V），I為額定電流（A），f為最大頻率（Hz），電抗器如圖6所示；圖6 輸入濾波電抗器2) 噪聲濾波器噪聲濾波器是伺服驅(qū)動(dòng)器輸入側(cè)的濾波器，用于保護(hù)電網(wǎng)免受驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生反饋的諧波及噪聲影響。線路濾波器可以是有源濾波器或無源濾波器，用于過濾5、7、11、13次電源頻率的低頻諧波，以及過濾10 kHz以上的高頻干擾電壓（RFI抑制濾波器），注意：噪聲濾波器外殼接線端子必須接地線（PE）才能更好的濾除噪聲，噪聲濾波器見圖7。 a)單相噪聲濾波器 b)三相噪聲濾波器圖7 噪聲濾波器針對(duì)現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)控制、測(cè)量設(shè)備電源輸入端接加裝噪聲濾波器以消除共電源引起的諧波及噪聲影響，濾波器如5.2.2）中所示。3) 線路濾波針對(duì)數(shù)據(jù)通信及傳輸線路上共模噪聲干擾，建議采用帶有共軛磁環(huán)的數(shù)據(jù)線以消除共模干擾。共軛磁環(huán)可抑制多股線纜上的EMI干擾抑制，包括電源線上的噪聲和尖峰干擾，它同時(shí)具有吸EMI吸收磁環(huán)收靜電脈沖能力，使電子設(shè)備達(dá)到電磁兼容（EMI/EMC）和靜電放電的相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)，使用時(shí)可將一根多芯電纜或一束多股線纜穿于其中，多穿一次可加強(qiáng)其效果。帶磁環(huán)數(shù)據(jù)線如圖8所示。圖8 帶磁環(huán)數(shù)據(jù)線注：差模干擾：差模干擾指的是干擾電壓存在于信號(hào)線及其回線（一般稱為信號(hào)地線）之間，干擾電流回路則是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)。共模干擾：共模干擾指的是干擾電壓在信號(hào)線及其回線（一般稱為信號(hào)地線）上的幅度相同，這里的電壓以附近任何一個(gè)物體（大地、金屬機(jī)箱、參考地線板等）為參考電位，干擾電流回路則是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)。中性線（N）：主要應(yīng)用于工作回路，從區(qū)變電站變壓器中性點(diǎn)接地后引出主干線，用于工作回路的“工作地線”，接地后也稱“零線”；地線（PE）：不用于工作回路，只作為保護(hù)線，稱為保護(hù)地線。利用大地的絕對(duì)“0”電壓，當(dāng)設(shè)備外殼發(fā)生漏電，電流會(huì)迅速流入大地，即使發(fā)生PE線有開路的情況，也會(huì)從附近的接地體流入大地。（從變壓器中性點(diǎn)接地后引出主干線并每間隔20-30米重復(fù)接地）；三相四線制系統(tǒng)（TN-C）：般在低壓配電網(wǎng)中，輸電線路一般采用三相四線制，三條線路分別為A,B,C三相，另一條是中性線N（如果該回路電源側(cè)的中性點(diǎn)接地，則中性線也稱為零線，也稱PEN；如果不接地，則從嚴(yán)格意義上來說，中性線不能稱為零線）。三相五線制系統(tǒng)（TN-S）：是指A、B、C、N和PE線，其中，PE線是保護(hù)地線，也叫安全地線，是專門用于接到諸如設(shè)備外殼等保證用電安全之用的。PE線在供電變壓器側(cè)和N