伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的電磁干擾問題分析

概述

電磁干擾是一個影響伺服驅(qū)動器及其周圍電氣設(shè)備的問題，它可能會導(dǎo)致一些不便： · 反饋設(shè)備的讀數(shù)不正確會導(dǎo)致控制問題和電機故障。 · 通信問題和數(shù)據(jù)丟失或同步。 · 對伺服驅(qū)動系統(tǒng)附近周圍電路的干擾。 · 不符合電磁兼容性 （EMC） 標準。 幸運的是，了解本文檔中介紹的模型的問題應(yīng)該允許在系統(tǒng)設(shè)計階段（首選）或現(xiàn)場通過簡單的操作來解決大多數(shù)EMC問題。本文檔旨在展示一個框架來理解和解決問題，而不是再次重復(fù)模糊的經(jīng)驗法則，例如連接保護接地，屏蔽電纜或添加鐵氧體。

了解驅(qū)動器上的 EMC

EMC 基礎(chǔ)知識

電磁兼容性（EMC）是電氣設(shè)備和系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中令人滿意地運行的能力，通過限制電磁能量的無意產(chǎn)生，傳播和接收，這可能導(dǎo)致不良影響，如電磁干擾（EMI）甚至在操作設(shè)備中造成物理損壞。區(qū)分EMI中涉及的3個元素至關(guān)重要： · 源 · 耦合通道 · 受干擾

分壓器型號

為了量化干擾對受干擾的影響，有一個簡單而實用的模型可以知道哪個將是誘導(dǎo)效應(yīng)。它將源 - 通道 - 受干擾視為分壓器。由于大多數(shù)問題發(fā)生在瞬態(tài)和交流信號上，因此分壓器應(yīng)使用阻抗代替電阻器。為簡單起見，通常不必對 Z 使用復(fù)數(shù)，而只需使用阻抗和電壓的絕對值即可。 地址： Vin是噪聲源的振幅。 Vout是受害電路上的感應(yīng)電壓。 Z1是耦合通道的阻抗。Z應(yīng)以干擾的基頻計算。 Z2是受干擾在給定頻率下的阻抗。對于純電阻電路，這個Z就是電阻。對于電容輸入 Z = 1 / (2 · π · f · C). f是干擾的基頻。 請注意，有時有問題的頻率并不明顯。例如，電機相位的基本開關(guān)頻率10 kHz~100 kHz通常不會產(chǎn)生問題。相反，問題來自10 MHz和1 GHz之間的諧波。大多數(shù)硬開關(guān)信號和晶體也是如此，請始終考慮與躍遷相關(guān)的諧波，而不僅僅是主頻。 定量地理解這個模型將使接下來指出的許多行動變得清晰。以下是源、頻道和受干擾的描述：

電磁干擾源

EMI源是電磁干擾的發(fā)生器。它可以是電力電子開關(guān)，繼電器，電源線浪涌，靜電放電（ESD），雷擊，射頻設(shè)備等。

來自環(huán)境的電磁干擾源

外部干擾源可根據(jù) EMC 標準分為以下幾類： · 靜電放電 · 電氣快速瞬變 · 潮 · 輻射抗擾度 · 傳導(dǎo)抗擾度 · 電壓驟降、壓降和中斷。它通常僅影響交流驅(qū)動器。 每個都有一個標準化的測試，這取決于產(chǎn)品類別和環(huán)境。另有說明，毅勁伺服驅(qū)動器的設(shè)計符合 IEC 61800-3：可調(diào)速電力驅(qū)動系統(tǒng) - 第 3 部分：EMC 要求和特定測試方法。

來自驅(qū)動系統(tǒng)本身的 EMI 源

伺服驅(qū)動器上的EMI源可以來自通信總線，如EtherCAT或CAN，DC/DC轉(zhuǎn)換器或高頻時鐘。然而，伺服驅(qū)動系統(tǒng)上最重要的干擾源是功率級。因此，大多數(shù)干擾問題都是由伺服驅(qū)動器本身產(chǎn)生的，而不是來自安裝或環(huán)境的其余部分。功率級在設(shè)計上是功率級晶體管每次開關(guān)期間非常強大的電磁干擾源。開關(guān)功率級的發(fā)射取決于：

為了了解功率級產(chǎn)生的頻譜，我們可以將相位視為梯形波形，其上升和下降時間非常短，范圍從200 ns到5 ns不等，具體取決于功率級技術(shù)，工作點和寄生電容。下圖顯示了梯形波的諧波包絡(luò)以及如何估計其大小。

雖然這可能違反直覺，但相電壓越完美，它攜帶的高頻干擾就越多。例如，帶有共模扼流圈的濾波電機相位輸出在時域（示波器）中可能看起來更丑陋，但可能導(dǎo)致較少的EMI問題。占空比的變化也會影響頻譜。下圖顯示了20 V幅度和50 kHz的方波的傅里葉合成，具體取決于諧波的數(shù)量：

電磁干擾耦合通道

耦合通道是EMI傳播到受干擾的地方。它可以歸納為4類：共感，共感，電感和電容。 請注意，許多耦合不一定發(fā)生在單個通道上，而是作為它們的組合。例如，從電機電纜到編碼器的電感耦合，通過PCB上的導(dǎo)電耦合傳輸?shù)酵ㄐ哦丝?，然后通過通信電纜輻射。 下表說明了每個通道以及可以采取哪些操作來緩解它：

當遇到干擾問題時，大多數(shù)人的第一反應(yīng)是相信信道是輻射的。然而，通常，問題的根源是導(dǎo)電、電感或電容耦合，輻射是次級耦合通道。

電磁干擾受干擾

EMI受干擾是受通過通道耦合的干擾源影響的電路。這是否會產(chǎn)生問題將取決于干擾對受干擾的幅度以及這種幅度對接收器造成的影響：數(shù)字電平變化，小幅度變化，數(shù)據(jù)丟失，甚至電路物理損壞。 根據(jù)受干擾的電路，免疫水平可能會有所不同。下表提到了提高免疫力的幾種方法：

驅(qū)動系統(tǒng)的 EMC 模型

下圖顯示了一個簡化的電氣模型，該模型強調(diào)了伺服驅(qū)動系統(tǒng)中EMC所涉及的主要元素。請注意，在“原理圖”或“接線圖”上找不到EMC中涉及的許多元素，因為有一個包含寄生元件的替代“不可見”原理圖。

電機對驅(qū)動系統(tǒng)的整體EMC有很大的影響。其電感和電阻會影響低頻諧波，但更重要的是寄生電容，這些電容在每次開關(guān)時都會導(dǎo)致不需要的電流峰值： · 繞組間電容 （Ciw）。這往往是在nF的順序。這導(dǎo)致相位上出現(xiàn)大電流峰值，這些相位以電感方式耦合到其他電路。 · 繞組至機箱電容 （Cwc）。此外，在nF或pF的順序中，這會導(dǎo)致機箱的電流峰值，輻射和共模問題。 · 定子-轉(zhuǎn)子電容會導(dǎo)致軸承電流和高壓驅(qū)動器（不包括在圖紙中）的過早失效。 · 電機底盤對地電容很大程度上取決于電機的安裝位置（如果電機接地良好，驅(qū)動器接地后，此電容可以忽略不計）。 可以推斷，即使平均電流為零，每次相位改變其電壓時都會發(fā)生大電流峰值（以安培為單位）。這些峰值在寄生電路（如電纜電感和寄生電容）之間振蕩和共振，并導(dǎo)致許多EMC問題。事實上，它們可以通過電機電纜或電機底盤本身進行輻射。 電機設(shè)計和布線對EMI影響很大 根據(jù)電機和布線的不同，相同的伺服驅(qū)動器可以完美地工作，沒有EMC問題，或者有很大的干擾問題并且不符合EMC標準。理想的電機應(yīng)具有低寄生電容，并且應(yīng)具有與其底盤的良好接地連接。 下面解釋了為什么每個安裝手冊上重復(fù)的建議都非常有用。

使電機接地、屏蔽相位和扼流圈的效果

解決伺服驅(qū)動器上大多數(shù)排放問題的主要方法是以下組合：

低 EMI 解決方案示例:

電源線濾波器的影響

由于電力驅(qū)動系統(tǒng)固有的噪聲特性，當應(yīng)滿足傳導(dǎo)發(fā)射水平時，通常需要線路濾波器。在某些情況下，傳導(dǎo)EMI會受到輻射并導(dǎo)致輻射發(fā)射。通常需要結(jié)合使用差分濾波器和共模濾波器。當各種驅(qū)動器關(guān)閉時，線路濾波器可以在具有公共直流總線的各種驅(qū)動器之間共享。

為了量化傳導(dǎo)發(fā)射，它們使用LISN（線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)）進行測量，該LISN將電源紋波電流“轉(zhuǎn)換”為交流耦合到頻譜分析儀的電壓。雖然這種LISN從未在電力驅(qū)動系統(tǒng)上找到過，但由于它是EMC實驗室設(shè)備，因此此處包含它是為了從電氣上闡明濾波器如何減少排放。利用電容器使紋波和高頻路徑短路，同時將其阻斷為電感元件。

關(guān)于線路過濾的一些有趣點： 濾波器應(yīng)靠近干擾源（伺服驅(qū)動器），如果它們位于接地良好的電路板或機柜上，則可以在各種驅(qū)動器之間共享。

為避免電源電纜的輻射，請扭曲它們并盡量減少它們之間的區(qū)域。

在電源完全隔離的某些情況下，可以在單個點上將GND_P連接到地球。這大大減少了傳導(dǎo)發(fā)射，但可能會產(chǎn)生副作用，如接地電流、安全問題和對瞬變的抗擾度降低。

一些電池供電系統(tǒng)沒有傳導(dǎo)發(fā)射要求，可以避免使用濾波器以減輕重量和成本。但是，請注意不要從電源電纜輻射問題。

始終按照先前有關(guān)扼流圈、PE 接線和相位屏蔽的建議調(diào)整濾波器的尺寸。這將允許使用較小的過濾器。

當驅(qū)動器集成在電機外殼上時，解決了幾個問題

當伺服驅(qū)動器集成到電機中時，開關(guān)干擾被封閉在充當法拉第保持架的底盤上。布線長度最小化，耦合和發(fā)射線可以在受控環(huán)境中處理，而不依賴于最終應(yīng)用布線和安裝以及安裝人員的EMC技能。這可以使用小型模塊化伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)。

總結(jié)

EMC 不僅僅是通過認證。它確保系統(tǒng)堅固耐用，并且不會對附近的設(shè)備造成問題。

對EMC有很好的了解，并在最初的系統(tǒng)設(shè)計階段應(yīng)用它，就能在大多數(shù)問題出現(xiàn)之前就解決它們。

牢記源通道受干擾框架對于解決這些問題非常實用。EMI思維模式超越了“pdf接線圖”，并試圖找到源和受干擾之間的寄生耦合路徑。然而，有時需要使用示波器，頻譜分析儀來測量正在發(fā)生的事情。

當面臨干擾發(fā)射問題時，從明顯的來源開始：電機相位的切換，并檢查是否應(yīng)用了短電機電纜的“經(jīng)驗法則”，接地良好，屏蔽相位，并使用電機扼流圈。在100%清楚之后，繼續(xù)進行其他不太可能的假設(shè)。

如果反饋受到干擾，請考慮數(shù)字濾波，因為它具有最低的成本并且可以快速應(yīng)用。如果可能，請選擇具有差分接口和CRC的魯棒反饋。

將驅(qū)動器靠近電機，如果可能的話，在機箱內(nèi)可以解決伺服驅(qū)動器中遇到的大多數(shù)EMC問題，從而最大限度地提高通過EMC認證的機會，并以最低的成本和最大的簡單性完成所有工作。

審核編輯：陳陳