伺服電機(jī)和變頻驅(qū)動器中電磁干擾問題怎么破？看完就會了

有許多問題與變頻驅(qū)動器和伺服電機(jī)相關(guān)。我們只關(guān)注部分問題。讀者可以簡單的在搜索引擎上查找變頻驅(qū)動器，軸承，過電壓和電磁干擾以了解問題的整個范圍，并尋求解決方案。

為了減少設(shè)備成本，驅(qū)動脈沖逆變器采用快速開關(guān)來驅(qū)動脈沖使其具有幾納秒的上升和下降時間（圖2），從而將這些信號的頻譜擴(kuò)展到幾兆赫茲。簡單地打開和關(guān)閉流入電機(jī)的電流比產(chǎn)生一個逐步加大和逐步減小的輸出電壓更為簡單，更便宜和更有效。這些短邊沿驅(qū)動脈沖是各種問題的主要來源。如果控制器和電機(jī)之間的連接為適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻連接，例如，匹配輸入和輸出阻抗，選擇了適當(dāng)?shù)纳漕l等級電纜和類似設(shè)計，許多問題都不會存在。然而，設(shè)計電動機(jī)的目的不是正確傳輸信號，而是進(jìn)行機(jī)械工作，因此很少考慮其高頻信號特性。以下是由尖脈沖驅(qū)動信號或相關(guān)引起的一些問題（順序與重要性無關(guān)）

• 電動機(jī)軸承損毀

• 過電壓和關(guān)聯(lián)絕緣損壞

• 電力線和地線中的高電平傳導(dǎo)電磁干擾

• 地平面中高電平電磁干擾電流引起的電氣過載(EOS)問題

• 來自電纜的高水平輻射電磁干擾

• 機(jī)械噪聲

• 電動機(jī)過熱

以下章節(jié)我們將逐一考慮上述內(nèi)容，并討論解決這些問題的方法。

讓我們將電動機(jī)當(dāng)作一個電子電路。將邊沿陡的驅(qū)動脈沖作用在定子（即電動機(jī)底座的感應(yīng)器）上。定子對轉(zhuǎn)子具有強(qiáng)電容耦合（定子和轉(zhuǎn)子大的金屬表面之間間距很近）。

雖然驅(qū)動脈沖的自身頻率非常低-通常不高于20KHz，并且不是考慮的重點-驅(qū)動脈沖的尖銳邊沿的高頻成分從容性耦合中得到的阻抗很小，現(xiàn)在電動機(jī)的高頻電壓與驅(qū)動脈沖邊沿同步。這個電壓反過來會引起電流通過唯一路徑即從轉(zhuǎn)子到電動機(jī)軸承流到地平面。圖4顯示地電流是如何與驅(qū)動脈沖邊沿完全同步的。

軸承鋼珠和軸承底圈之間的連接經(jīng)常是間斷的，絕緣潤滑油的存在會加劇這個問題。這會導(dǎo)致軸承中的電流產(chǎn)生電弧放電，從而產(chǎn)生EDM現(xiàn)象-電火花放電?；旧?，電火花一次會吞噬小片金屬。這種現(xiàn)象廣泛發(fā)生在其他難以加工的金屬部件上，這些金屬部件具有球形軸承，而金屬機(jī)械加工的機(jī)制基本相同。然而，目的和輸出卻大相徑庭。電火花在軸承中引起的EDM起源于小的弧坑，或者麻點引起的不連續(xù)，這會產(chǎn)生進(jìn)一步放電和危害。在軸上低至200mV的電壓也會產(chǎn)生電火花，雖然電動機(jī)上的感應(yīng)電壓很高-高達(dá)上萬伏。一旦產(chǎn)生了麻點，它就會成為進(jìn)一步放電的集中點。由于驅(qū)動脈沖和產(chǎn)生的放電每秒在每次電動機(jī)運行中會發(fā)生上千次(見圖5)，它持續(xù)時間不會很長從而不會對軸承產(chǎn)生永久性損壞。最常見的問題之一是軸承凹槽，或稱之為跑道形放電器-見圖X(ABB)。這個問題會傳播，最終由于軸承故障造成電動機(jī)永久性損壞。這個問題很常見，并且自身沒有表現(xiàn)出任何會消除的跡象。

如果電動機(jī)控制器的輸出阻抗，電動機(jī)的輸入阻抗和連接電纜的阻抗完全匹配，那么驅(qū)動脈沖完全是方波脈沖。但是，電動機(jī)不是射頻設(shè)備，沒人嘗試進(jìn)行阻抗匹配，而且如果人們嘗試進(jìn)行匹配它就不能工作了。失配會引起振鈴和過載。

圖6顯示了很輕的振鈴和過電壓情況，雖然很多情況下過電壓很容易就超過正常脈沖幅度的60%。紅線為控制器輸出端的直接驅(qū)動信號；藍(lán)線為電動機(jī)上經(jīng)過3英尺（~1米）電纜的相同信號。很明顯這個過電壓和振鈴只會通過軸承增加地電流。根據(jù)美國能源部^【7】“來自脈寬調(diào)制變頻器的最快上升脈沖可能會引起有害電流在軸承中流動，即使過電壓不大”。過電壓不僅會引起壓筋的損害，還會壓迫電纜和電動機(jī)內(nèi)部線圈的隔離層，除此以外，還會引起電壓控制驅(qū)動電流損壞，電動機(jī)過熱和噪音問題，這還沒包括其他不嚴(yán)重的影響。這個問題已得到廣泛關(guān)注。IEC/TS60034-25（與IEC/TS60034-17合并）聲明采用標(biāo)準(zhǔn)絕緣的電動機(jī)終端的脈沖電壓不能超過1350V。如果電動機(jī)終端的脈沖電壓上升時間低于0.8μs，對于具有50ns上升/下降時間的脈沖，其容許的脈沖電壓降到900V，如圖3所示。NEMAMG1-2014還強(qiáng)調(diào)電磁干擾會引起軸承損壞和其他問題。

僅關(guān)注電動機(jī)損壞或變頻器/伺服電機(jī)上高頻驅(qū)動信號過電壓方面的問題是不夠的。電動機(jī)不是單獨工作的-它們安裝在設(shè)備上，而這些設(shè)備可能對電動機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾敏感。來自驅(qū)動器的高頻干擾會引起：

• 與電磁兼容規(guī)范不兼容

• 干擾電子設(shè)備工作

• 引起測量誤差和引起傳感器輸出錯誤

• 對敏感設(shè)備產(chǎn)生電氣過載（EOS）

驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生會引起對電源電流消耗的巨大改變，這反過來會產(chǎn)生高頻傳導(dǎo)發(fā)射，而這種發(fā)射反過來會返回電源中。在電源上使用電源線濾波器是兼容性設(shè)計的主要方法，這是大多數(shù)伺服/變頻制造商推薦的方案。這有助于取得電磁兼容性。然而，目前沒有電磁兼容管理部門控制設(shè)備內(nèi)電磁干擾，因為大多數(shù)管理部門更關(guān)注特定設(shè)備可能怎樣影響到其他設(shè)備的運行。不能管理設(shè)備內(nèi)電磁干擾，這使其會干擾到自身，尤其是當(dāng)用戶或集成商將傳動設(shè)備與其它電子設(shè)備集成使用時。此時，不同設(shè)備的相互操作就不像一家公司單獨生產(chǎn)那樣進(jìn)行了嚴(yán)格檢查。

大多數(shù)來自驅(qū)動器的內(nèi)部電磁干擾問題是由驅(qū)動脈沖引起，并以來自驅(qū)動秒沖尖銳邊沿的輻射發(fā)射干擾，設(shè)備地及設(shè)備框架上噪聲的形式顯現(xiàn)，設(shè)備走線上的感應(yīng)傳導(dǎo)發(fā)射很難濾除。如上所述，通過電動機(jī)軸承的地電流會破壞設(shè)備的整個地系統(tǒng)，減小數(shù)據(jù)線中的信噪比，改變傳感器中的信號，導(dǎo)致過程改變，有時甚至?xí)鹕{情況，如核磁共振中的錯誤讀數(shù)。有的研究表明中性點和地之間低至1V的電壓可能引起設(shè)備故障。有些驅(qū)動電纜和設(shè)備地之間的容性耦合會引起地噪聲。

來自伺服電機(jī)和變頻器中的電磁干擾還可能引起電氣過載。半導(dǎo)體和印刷電路板安裝設(shè)備 地之間的大電壓差會將敏感設(shè)備暴露在電氣過載中，這經(jīng)常引起立即或潛V的損壞，這種損壞會造成設(shè)備能夠通過生產(chǎn)時的測試但在實際中很快就壞了。具體問題就是地平面上的電磁干擾電壓具有很低的輸出阻抗，這會導(dǎo)致強(qiáng)電流功率，即使很低的電壓差也會損壞設(shè)備。IPC-A-610是印刷電路板安裝的最基本標(biāo)準(zhǔn)-限制應(yīng)用到敏感設(shè)備上的電壓，特別是電動機(jī)的電磁干擾瞬態(tài)電壓特性會低至300mV。對于電子產(chǎn)品，從產(chǎn)量和可靠性方面考慮，EOS越來越重要。

你不能控制你無法測得的東西。這句話很有深意。完全為了電磁兼容目的的交流電源傳導(dǎo)發(fā)射測試已廣為人知，別處有深入的記載，在此不再重復(fù)。而且，這部分所指的測試不是常規(guī)的電磁兼容管理部門進(jìn)行的測試，而是針對設(shè)備可靠性和操作性的重要內(nèi)容。

不用說，直接測試通過旋轉(zhuǎn)軸承的電流至少不是現(xiàn)實的嘗試。然而，通過測試驅(qū)動信號回流路徑中的電流是非常相關(guān)的測試，例如，測試控制器和電機(jī)地線中的電流，如圖7所示。

基本前提是通過軸承的電流必須要流回起點-電機(jī)控制器?；芈仿窂酵ㄟ^地線（有時設(shè)計成PE-電源地）。雖然有些僅僅是定子繞組和地電機(jī)殼之間的容性高頻電流路徑，它與流過軸承的電流相比微不足道，因此測試地線中的高頻電流足以估計流過軸承的電流。圖7顯示了基本設(shè)置，該設(shè)置可用于伺服電機(jī)和變頻器。這些電機(jī)通常具有三根驅(qū)動線，但不排除設(shè)計了U，V和W，以及地線G，或者有時設(shè)計為電源地。地線上的寬帶電流探頭通過軸承返回電流。

圖8顯示了通過地線的典型電流，該電流通過Tektronix電流探頭CTI測得。這個探頭具有5mV/mA的敏感度。本文中的電流測試都按照此方法進(jìn)行。如圖所示，峰值電流為1.72A-值比較大。這個峰值電流用于10000次/s的軸承。注意到即使沒有運動，伺服電機(jī)仍然處于工作狀態(tài)-僅僅保持它的位置。不足為奇，它可能造成軸承的損壞，以及其他一些不想要的效應(yīng)-干擾設(shè)備運行和引起電氣過載。

在此我們進(jìn)入到讀者必須要注意的安全方面的內(nèi)容，因為驅(qū)動信號可能具有高電壓（高達(dá)480V）強(qiáng)電流功率。暴露在這樣的電壓中可能引起傷害或死亡。如果你不熟悉工作在高壓線環(huán)境中，你應(yīng)該推遲測試它的連接部分，或者至少經(jīng)過專家的適當(dāng)培訓(xùn)。

你需要一個電池供電的示波器，其帶寬至少為200MHz（更高的帶寬沒有任何好處），以及一個100：1的高電壓示波器探頭。注意不可以使用頻譜儀，交流供電的示波器會由于其連接到公共地而產(chǎn)生地回路。而且，注意到常規(guī)的10：1探頭對驅(qū)動信號的衰減不足以防止鉗制信號。如果你設(shè)置示波器的值，你需要將它的輸入設(shè)置為1兆歐而不是50歐姆，因為高電壓和低阻抗配合不好，這點至關(guān)重要。這還可能給信號引入小的振鈴，但這比損壞示波器要好。

在大多數(shù)電機(jī)控制器中，你可能找到標(biāo)記為U，V和W的終端-它們輸出到電機(jī)中。將探頭地和控制器地，探頭尖端及U，V和W終端（圖9）連接在一起，可能還需要適當(dāng)延長，這取決于終端結(jié)構(gòu)。示波器探頭的地應(yīng)該連接到控制器地的終端，控制器地終端緊鄰U，V和W終端。基于示波器設(shè)置數(shù)次測量時間有助于捕捉驅(qū)動脈沖，脈沖上升沿和脈沖下降沿。

你可能會期待在高品質(zhì)電機(jī)控制器終端上會出現(xiàn)方波驅(qū)動信號。在電機(jī)上的測試更為難辦，由于終端及一些很難獲取的問題，這看起來經(jīng)常幾乎是不可能辦到的，但如果有設(shè)備專家的幫助這也許可能辦到。確保示波器探頭的地夾連接到電機(jī)的接地端，而不是別的地方，否則測試結(jié)果會大大折扣。

最后，以上描述的所有問題都由驅(qū)動脈沖的尖銳邊沿所引起。因此，解決此類問題需要改變脈沖邊沿以便上升和下降時間都足夠慢，以免定子和轉(zhuǎn)子之間的容性耦合成為主要的導(dǎo)電路徑，同時還能保證電動機(jī)的性能。優(yōu)化走線，改變通過軸承的電流路徑或者同時阻塞路徑，是一些解決方案。脈寬調(diào)制驅(qū)動電機(jī)的問題不是一個新問題，而是廣泛的問題-有很多解決方案，我們將在后述章節(jié)介紹。鑒于這個問題的廣泛性和它的經(jīng)濟(jì)影響，對于電動機(jī)用戶有很多可用的解決方案，各種方案具有不同的有效性。對于變頻器和伺服電機(jī)問題的預(yù)防方法就很好-建議用戶在選擇電動機(jī)問題解決方案時注意實際技術(shù)分析與大量銷售廣告。

毋庸置疑，相比長的電纜，短的電動機(jī)電纜提供更小的振鈴和更少的發(fā)射。與其他電纜分離布置的電纜對其他導(dǎo)體產(chǎn)生更小的電壓和電流。正確連接的屏蔽（銅網(wǎng)編織）有助于減小來自脈沖邊沿的電磁場。

對于變頻器和伺服電機(jī)有許多特殊制造的電纜。控制器和電動機(jī)之間更好的電纜是那種具有足夠厚度適當(dāng)屏蔽的電纜（銅網(wǎng)編織屏蔽體）。有的電纜各相都具有獨立的地線，這進(jìn)一步減小了振鈴。不建議用戶使用不是專門用于變頻器的常規(guī)電纜的電纜，因為這可能加劇問題.