毕业设计]浅析伺服系统中电磁兼容性设计和抗干扰措施.doc

浅析伺服系统中电磁兼容性设计和抗干扰措施关键词：EMI电磁干扰、EMC电磁兼容性、预防型设计、规范施工、接地系统1.引言今天，伺服系统和CNC、PLC、变频器、等其它自动化产品一样，已经成熟应用于工业生产的各个领域。但是在实际应用中，总会出现一些干扰因素，影响伺服系统的正常工作，如脉冲不准，驱动器误报等等，甚至造成设备失控和误动作，威胁到人和机械的安全。出现这些问题后，设备厂家总会认为是产品缺陷，要求自动化供应商协助解决，甚至更换其它的品牌工控产品，现有工控产品便成了无辜的“替罪羔羊”。其实这种情况不论在进口产品和国产产品都会有发生的几率，只是在进口的设备中，特别是欧美机械设备，比较注意产品的电磁兼容性（EMC）设计和安装的规范，采取了必要的抗干扰措施，从而大大降低了干扰因素带来的影响。工业控制设备的可靠性和稳定性，不但取决于工业控制类产品的可靠设计、更取决于设备生产厂家的方案设计和施工安装响。本文浅析了工控领域中伺服系统中常见的干扰因素，并结合笔者多年来的实际工作经验阐述了常用的抗干扰措施，以希望帮助工程师和设备厂家能够正确的使用我们的产品，来实现设备稳定可靠的运行。2.何谓EMCEMC直译就是电磁兼容性，是ElectroMagneticCompatibility的缩写。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是指“设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力”。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值（EMI）；另一方面是指组件对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性(EMS)。简单的说，就是电子设备的干扰性和抗干扰能力。无论是CNC、PLC、伺服系统、变频器都会产生电磁干扰，同时也受到其它设备的干扰。如变频器、伺服驱动器等PWM设备自身就是大的干扰源，但同时他们也是电子设备，控制板也同样会受到其它产品的干扰。CNC和PLC自身产生的电磁干扰小，但要注意它们的抗干扰性。很多工程师在设计时，往往会忽略这些细节。当后期到达客户现场后，才发现无法抵御外部干扰或者产生了干扰其它设备的情况，到时再“亡羊补牢”。EMC最为重要的一条准则是“预防是最有效的、最经济的方案”，因此合理的设计和规范的施工是提高工控产品和机械设备稳定运行的关键性因素和前提条件。3.伺服系统中干扰类型和途径（1）来自空间的-辐射干扰来自空间的辐射干扰分布极为复杂，字面上理解这类的干扰源和被干扰产品间没有直接的联系，通常都是电磁感应的形式在空间传播的。在民用领域中，这类干扰像空气一样也无处不在，如打手机时，电视机的图像会产生雪花点等。飞机飞行中禁止使用遥控玩具和电子类产品也是基于杜绝辐射干扰的考虑。在工业控制系统中，辐射干扰源主要由是大型放电加工，高频加热设备对电网噪音污染，如高频淬火机床，CNC等离子切割设备。变频器和伺服驱动器在运行时也会通过电网电线对其它控制类设备发射的噪音信号。电柜中大电流交直流接触器或者继电器线圈频繁吸合产生的浪涌冲击，也同样会产生噪音污染。对付辐射干扰最为有效的措施就是金属屏蔽。（2）来自系统配线传导干扰这类干扰在工业控制领域比较常见，干扰的途径多为自控系统中的变频器和伺服驱动器产生的噪音，经由电源电缆、信号电缆或者错误的接地电缆等，传导到系统的其它电子设备，从而影响到机械设备的稳定性运行。对付传导干扰的有效措施就是采用电源滤波器、隔离电源、屏蔽电缆、以及合理和可靠的接地来解决问题。伺服系统中噪音干扰的途径4.伺服系统的抗干扰措施通过以下措施可以有效降低电磁干扰，提高系统的抗干扰性。（1）电气控制柜的设计和安装电柜设计必须使用金属材料，在电柜设计时，要根据EMC的区域原则，合理的布局。将不同的设备规划在不同的区域中，伺服放大器或者变频器、等驱动单元应尽量靠近安装在柜子的底部，使用接地金属隔离板将区域隔离，或者独立安装在金属电柜中，远离PLC和CNC等其它电磁干扰小的电气组件。电柜中，电气元器件的安装要根据其安装的要求留有一定得空间，以保证良好的通风和散热，不要阻挡风扇的正常流通。电柜中布线应强弱分开，信号线和动力线要分开走线，不要将380/220VAC和24VDC以下规格电缆共享同一个电缆槽。变频器和伺服驱动放大器单元到电机动力电缆应使用金属屏蔽层的电缆，电缆线应该尽量的短，以避免功率损耗，减少干扰。电缆的屏蔽层的电导至少是U/V/W相导线线芯电导的1/10。电机电缆和其它电缆长距离最小为500mm，应避免长距离平行走线，交叉走线，当控制电缆和电源电缆交叉，应保证90交叉，同时必须用金属夹子将电缆屏蔽层固定在安装板上。电网进线地线传导干扰辐射干扰上位机控制器SERVO电机电机电缆电柜通风开孔要使用密集金属网格，切口越小越好。因为狭孔可能在电柜中传导辐射高频信号。电柜的柜门和电缆的进线口要可靠接地，避免电柜内部的干扰磁场通过屏蔽电缆泄漏出去。柜门要使用有传导性的密封垫，紧贴柜体。这些措施在放电加工设备尤为重要。AC接触器和DC继电器安装要远离I/O部件和信号电缆，并且要使用正确的RC抑制组件和飞轮二极管，减少线圈吸合时噪音污染。不正确的安装接触器吸合时带来的电磁干扰（2）电源部分考虑动力变压器选用-台达的伺服系统在1.5KW以下，支持单相AC220V电源输入。但2KW7.5KW，就需要AC380/AC220S三相动力变压器来提供动力电源。变压器的隔离在一定程度上也提高了设备的抗干扰能力，对于金属切削加工设备，如CNC车、铣床，我们都建议客户使用三相AC220V动力变压器，因为这样可以减少用户电网的波动对加工效果的影响。变压器的容量一般选择驱动器功率总和的1.52倍。当变压器容量不足时，变压器会发热，会影响电机扭力的平稳输出。除提供伺服系统的动力变压器外，设备可能还需要使用单相AC220V提供上位机工作，如PLC，CNC等，我们建议客户增加一台独立的AC220V控制变压器的来提供控制电源，不要和驱动器动力部分使用同一个AC220V电源,因为伺服驱动器产生的噪音，有可能会影响CNC和PLC的工作。对于直流DC开关稳压电源可以提供I/O模组工作或者外部传感器的工作电源，使用这个电源时要考虑足够的容量，至少留有20%的余量。同时DC电源要有足够的抗冲击能力，以保证负载突变时，维持一个稳定的电压输出，要求变化率不能大于5%。DELTA台达DVP&CLIQ系列开关电源出色表现直流DC开关稳压电源组件要可靠地接地。当使用大电流的DC24V电磁阀、离合器或者伺服电机电磁刹车线圈时，不能使用这个稳压电源，因为负载的冲击，有可能造成PLC和CNCI/O模组信号的误动作。当使用DC24V继电器时，要使用飞轮二极管以减少线圈吸合时噪音污染。Max5%（3）接地部分考虑合理和可靠的接地是解决传导性干扰最为有效地方法，但错误的接地不但不能减少干扰，反而成为干扰的“帮凶”。在国内，供电系统因为大部分使用的是TN-C三相四线制供电环境,PE线和N线合一，设备间噪音干扰大，所以处理起来也最为头痛！接地根据用途分类可以分为信号地、屏蔽地、保护地。信号地GND提供给控制信号的基准电平（0v）屏蔽地SG是为了运行可靠，抵抗外部干扰而提供的将内部和外部噪音隔离的屏蔽层，各组件的机壳、金属外罩、安装板，以及电缆的屏蔽层连接在一起。系统地PE是将各设备机壳与大地相连，以保证有漏电发生时，可以保证人员安全，同时也确保干扰噪音流入大地。接地系统电柜中所有的电气组件接地端子（变频器、PLC）都要使用短而粗的接地线可靠的连接到公共接地点或者接地母排PE上，严禁将接地端子随意的连接在电柜的金属外壳上。强电功率线屏蔽层处理-如驱动器输入电缆、电机U/V/W电缆、接触器线圈屏蔽电缆等，电压等级在24V以上的屏蔽电缆的金属屏蔽层要采用金属卡子卡在强电接地板上。信号线屏蔽层处理-如电机的编码器信号线线、传感器信号线，变频器控制线、伺服控制线等，电压等级在24V以上的电缆，必须使用双绞屏蔽电缆！屏蔽电缆两端的金属屏蔽层要采用金属卡子卡在信号线接地板上，或者连接到插头的屏蔽卡子或接头的金属外壳部分！只有在特殊情况才做单边屏蔽！信号线回路和强电回路电缆不能够捆扎在一起，分开走线。如果靠的太近，强电信号就会对弱电信号进行干扰，两者可以成90交叉，但严禁长距离平行走线安装。电柜中最小距离20cm以上，强电接地板和信号线接地板不能共享一块金属板接地，两者要保持一定距离，并且要使用短而粗的电缆连接到公共接地导线。信号电缆布线要远离变频器、变压器、伺服驱动器、接触器等可以产生严重磁场干扰的设备。双端屏蔽-一般情况下，如果源端和接收端设备两边都接地，屏蔽电缆两端都要接金属机壳，并确保大面积接触金属表面以便能承受高频干扰。如果仅仅在一端接地屏蔽，电缆上也可能出现干扰。单边屏蔽-在极少数情况下，也可以只进行一端屏蔽。例如，不带数字符件的纯模拟系统。在一端进行屏蔽仅仅提供了对低频的静电保护，有能力耦合吸收干扰和发射。单端屏蔽的屏蔽联接屏蔽点必须是联接部件的电气参考地。如果联接两边(源端和接收端)都处于浮地状态，则屏蔽必须接在接收端。如果源端和接收端两边都接地，则屏蔽必须两端都接地。（4）EMI电磁滤波器的使用当变频器或者伺服驱动器工作在一个对电磁干扰较为敏感的场合，那么你就必须考虑为它们选用EMI电磁滤波器，可以防止此类设备产生的干扰耦合到外部电源回路中，使驱动器电磁干扰影响降至最低。EMI的安装注意事项为了确保EMI滤波器（EMIFilter）能发挥最大的抑制伺服驱动器干扰效果，除了伺服驱动器，按照使用手册的内容安装及配线之外，还需注意以下几点：A.伺服驱动器及EMI滤波器（EMIFilter）都必须要安装在同一块金属平面上。B.伺服驱动器及EMI滤波器（EMIFilter）安装时，请尽量将伺服驱动器安装在EMI滤波器（EMIFilter）之上，。C.配线尽可能的缩短。D.金属平面要有良好的接地。E.伺服驱动器及EMI滤波器（EMIFilter）的金属外壳或接地必须很可靠的固定在金属平面上，而且两者间的接触面积要尽可能的大。选用电机线及安装注意事项电机线的选用及安装正确与否，关系着EMI滤波器（EMIFilter）能否发挥最大的抑制伺服驱动器干扰效果。请注意以下几点：A.使用有屏蔽铜网的电缆线（如有双层屏蔽层者更佳）。B.在电机线两端的屏蔽铜网必须以最短距离及最大接触面积去接地。C.电机线的屏蔽铜网与金属平面的