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

淺析伺服系統(tǒng)中電磁兼容性設(shè)計(jì)和抗干擾措施關(guān)鍵詞：EMI電磁干擾、EMC電磁兼容性、預(yù)防型設(shè)計(jì)、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(dòng)化產(chǎn)品一樣，已經(jīng)成熟應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。但是在實(shí)際應(yīng)用中，總會(huì)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(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)器誤報(bào)等等，甚至造成設(shè)備失控和誤動(dòng)作，威脅到人和機(jī)械的安全。出現(xiàn)這些問題后，設(shè)備廠家總會(huì)認(rèn)為是產(chǎn)品缺陷，要求自動(dòng)化供應(yīng)商協(xié)助解決，甚至更換其它的品牌工控產(chǎn)品，現(xiàn)有工控產(chǎn)品便成了無辜的“替罪羔羊”。其實(shí)這種情況不論在進(jìn)口產(chǎn)品和國產(chǎn)產(chǎn)品都會(huì)有發(fā)生的幾率，只是在進(jìn)口的設(shè)備中，特別是歐美機(jī)械設(shè)備，比較注意產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)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(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，不但取決于工業(yè)控制類產(chǎn)品的可靠設(shè)計(jì)、更取決于設(shè)備生產(chǎn)廠家的方案設(shè)計(jì)和施工安裝響。本文淺析了工控領(lǐng)域中伺服系統(tǒng)中常見的干擾因素，并結(jié)合筆者多年來的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)闡述了常用的抗干擾措施，以希望幫助工程師和設(shè)備廠家能夠正確的使用我們的產(chǎn)品，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)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(huì)(IEC)對EMC的定義是指“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力”。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)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(shè)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(huì)產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)也受到其它設(shè)備的干擾。如變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等PWM設(shè)備自身就是大的干擾源，但同時(shí)他們也是電子設(shè)備，控制板也同樣會(huì)受到其它產(chǎn)品的干擾。CNC和PLC自身產(chǎn)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(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)忽略這些細(xì)節(jié)。當(dāng)后期到達(dá)客戶現(xiàn)場后，才發(fā)現(xiàn)無法抵御外部干擾或者產(chǎn)生了干擾其它設(shè)備的情況，到時(shí)再“亡羊補(bǔ)牢”。EMC最為重要的一條準(zhǔn)則是“預(yù)防是最有效的、最經(jīng)濟(jì)的方案”，因此合理的設(shè)計(jì)和規(guī)范的施工是提高工控產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)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(fù)雜，字面上理解這類的干擾源和被干擾產(chǎn)品間沒有直接的聯(lián)系，通常都是電磁感應(yīng)的形式在空間傳播的。在民用領(lǐng)域中，這類干擾像空氣一樣也無處不在，如打手機(jī)時(shí)，電視機(jī)的圖像會(huì)產(chǎn)生雪花點(diǎn)等。飛機(jī)飛行中禁止使用遙控玩具和電子類產(chǎn)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(shè)備對電網(wǎng)噪音污染，如高頻淬火機(jī)床，CNC等離子切割設(shè)備。變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行時(shí)也會(huì)通過電網(wǎng)電線對其它控制類設(shè)備發(fā)射的噪音信號(hào)。電柜中大電流交直流接觸器或者繼電器線圈頻繁吸合產(chǎn)生的浪涌沖擊，也同樣會(huì)產(chǎn)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(dǎo)干擾這類干擾在工業(yè)控制領(lǐng)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(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的噪音，經(jīng)由電源電纜、信號(hào)電纜或者錯(cuò)誤的接地電纜等，傳導(dǎo)到系統(tǒng)的其它電子設(shè)備，從而影響到機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性運(yùn)行。對付傳導(dǎo)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(shè)計(jì)和安裝電柜設(shè)計(jì)必須使用金屬材料，在電柜設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)EMC的區(qū)域原則，合理的布局。將不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，伺服放大器或者變頻器、等驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)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(dú)立安裝在金屬電柜中，遠(yuǎn)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(jù)其安裝的要求留有一定得空間，以保證良好的通風(fēng)和散熱，不要阻擋風(fēng)扇的正常流通。電柜中布線應(yīng)強(qiáng)弱分開，信號(hào)線和動(dòng)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(gè)電纜槽。變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)放大器單元到電機(jī)動(dòng)力電纜應(yīng)使用金屬屏蔽層的電纜，電纜線應(yīng)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(dǎo)至少是U/V/W相導(dǎo)線線芯電導(dǎo)的1/10。電機(jī)電纜和其它電纜長距離最小為500mm，應(yīng)避免長距離平行走線，交叉走線，當(dāng)控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)保證90交叉，同時(shí)必須用金屬夾子將電纜屏蔽層固定在安裝板上。電網(wǎng)進(jìn)線地線傳導(dǎo)干擾輻射干擾上位機(jī)控制器SERVO電機(jī)電機(jī)電纜電柜通風(fēng)開孔要使用密集金屬網(wǎng)格，切口越小越好。因?yàn)楠M孔可能在電柜中傳導(dǎo)輻射高頻信號(hào)。電柜的柜門和電纜的進(jìn)線口要可靠接地，避免電柜內(nèi)部的干擾磁場通過屏蔽電纜泄漏出去。柜門要使用有傳導(dǎo)性的密封墊，緊貼柜體。這些措施在放電加工設(shè)備尤為重要。AC接觸器和DC繼電器安裝要遠(yuǎn)離I/O部件和信號(hào)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(shí)噪音污染。不正確的安裝接觸器吸合時(shí)帶來的電磁干擾（2）電源部分考慮動(dòng)力變壓器選用-臺(tái)達(dá)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(dòng)力變壓器來提供動(dòng)力電源。變壓器的隔離在一定程度上也提高了設(shè)備的抗干擾能力，對于金屬切削加工設(shè)備，如CNC車、銑床，我們都建議客戶使用三相AC220V動(dòng)力變壓器，因?yàn)檫@樣可以減少用戶電網(wǎng)的波動(dòng)對加工效果的影響。變壓器的容量一般選擇驅(qū)動(dòng)器功率總和的1.52倍。當(dāng)變壓器容量不足時(shí)，變壓器會(huì)發(fā)熱，會(huì)影響電機(jī)扭力的平穩(wěn)輸出。除提供伺服系統(tǒng)的動(dòng)力變壓器外，設(shè)備可能還需要使用單相AC220V提供上位機(jī)工作，如PLC，CNC等，我們建議客戶增加一臺(tái)獨(dú)立的AC220V控制變壓器的來提供控制電源，不要和驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力部分使用同一個(gè)AC220V電源,因?yàn)樗欧?qū)動(dòng)器產(chǎn)生的噪音，有可能會(huì)影響CNC和PLC的工作。對于直流DC開關(guān)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(gè)電源時(shí)要考慮足夠的容量，至少留有20%的余量。同時(shí)DC電源要有足夠的抗沖擊能力，以保證負(fù)載突變時(shí)，維持一個(gè)穩(wěn)定的電壓輸出，要求變化率不能大于5%。DELTA臺(tái)達(dá)DVP&CLIQ系列開關(guān)電源出色表現(xiàn)直流DC開關(guān)穩(wěn)壓電源組件要可靠地接地。當(dāng)使用大電流的DC24V電磁閥、離合器或者伺服電機(jī)電磁剎車線圈時(shí)，不能使用這個(gè)穩(wěn)壓電源，因?yàn)樨?fù)載的沖擊，有可能造成PLC和CNCI/O模組信號(hào)的誤動(dòng)作。當(dāng)使用DC24V繼電器時(shí)，要使用飛輪二極管以減少線圈吸合時(shí)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(dǎo)性干擾最為有效地方法，但錯(cuò)誤的接地不但不能減少干擾，反而成為干擾的“幫兇”。在國內(nèi)，供電系統(tǒng)因?yàn)榇蟛糠质褂玫氖荰N-C三相四線制供電環(huán)境,PE線和N線合一，設(shè)備間噪音干擾大，所以處理起來也最為頭痛！接地根據(jù)用途分類可以分為信號(hào)地、屏蔽地、保護(hù)地。信號(hào)地GND提供給控制信號(hào)的基準(zhǔn)電平（0v）屏蔽地SG是為了運(yùn)行可靠，抵抗外部干擾而提供的將內(nèi)部和外部噪音隔離的屏蔽層，各組件的機(jī)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(shè)備機(jī)殼與大地相連，以保證有漏電發(fā)生時(shí)，可以保證人員安全，同時(shí)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(diǎn)或者接地母排PE上，嚴(yán)禁將接地端子隨意的連接在電柜的金屬外殼上。強(qiáng)電功率線屏蔽層處理-如驅(qū)動(dòng)器輸入電纜、電機(jī)U/V/W電纜、接觸器線圈屏蔽電纜等，電壓等級(jí)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(qiáng)電接地板上。信號(hào)線屏蔽層處理-如電機(jī)的編碼器信號(hào)線線、傳感器信號(hào)線，變頻器控制線、伺服控制線等，電壓等級(jí)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(hào)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(hào)線回路和強(qiáng)電回路電纜不能夠捆扎在一起，分開走線。如果靠的太近，強(qiáng)電信號(hào)就會(huì)對弱電信號(hào)進(jìn)行干擾，兩者可以成90交叉，但嚴(yán)禁長距離平行走線安裝。電柜中最小距離20cm以上，強(qiáng)電接地板和信號(hào)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(dǎo)線。信號(hào)電纜布線要遠(yuǎn)離變頻器、變壓器、伺服驅(qū)動(dòng)器、接觸器等可以產(chǎn)生嚴(yán)重磁場干擾的設(shè)備。雙端屏蔽-一般情況下，如果源端和接收端設(shè)備兩邊都接地，屏蔽電纜兩端都要接金屬機(jī)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(jìn)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(jìn)行屏蔽僅僅提供了對低頻的靜電保護(hù)，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(diǎn)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(dāng)變頻器或者伺服驅(qū)動(dòng)器工作在一個(gè)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(shè)備產(chǎn)生的干擾耦合到外部電源回路中，使驅(qū)動(dòng)器電磁干擾影響降至最低。EMI的安裝注意事項(xiàng)為了確保EMI濾波器（EMIFilter）能發(fā)揮最大的抑制伺服驅(qū)動(dòng)器干擾效果，除了伺服驅(qū)動(dòng)器，按照使用手冊的內(nèi)容安裝及配線之外，還需注意以下幾點(diǎn)：A.伺服驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器及EMI濾波器（EMIFilter）安裝時(shí)，請盡量將伺服驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(jī)線及安裝注意事項(xiàng)電機(jī)線的選用及安裝正確與否，關(guān)系著EMI濾波器（EMIFilter）能否發(fā)揮最大的抑制伺服驅(qū)動(dòng)器干擾效果。請注意以下幾點(diǎn)：A.使用有屏蔽銅網(wǎng)的電纜線（如有雙層屏蔽層者更佳）。B.在電機(jī)線兩端的屏蔽銅網(wǎng)必須以最短距離及最大接觸面積去接地。C.電機(jī)線的屏蔽銅網(wǎng)與金屬平面的