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伺服系統及EMI對扭矩傳感器干擾問題解決方法

摘要:在伺服系統中電磁干擾問題對扭矩傳感器和其他敏感器件產生的影響及屏蔽電磁干擾的解決方法。

一、伺服電機感應電及EMI干擾問題現象

伺服驅動器及伺服電機在通電待機時,所有設備正常工作,伺服系統在使用過程中電機啟動時設備會帶電,觸碰時會有麻手感;這種感應電在控制、測量設備中會對采集數據產生干擾例如:采集的扭矩數據偏差大、扭矩傳感器測量精度降低、數據丟失等現象。

干擾類型通常按照干擾原因的不同劃分,其中:噪聲干擾分為:放電噪聲干擾、偶發噪聲干擾等。按聲音干擾模式的不同分為:差模干擾和共模干擾,共模干擾是信號對大地的電位差,主要由電網傳入,地電位差及電磁輻射在信號線上感應的共態電壓所形成。共模電壓有時非常大,特別是采用隔離性能較差的電器供電室,變送器輸出信號的共模普遍較高,有的高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可以轉換成共模電壓,直接影響扭矩傳感器測量信號,嚴重的可造成傳感器元器件損壞,這種共模干擾可為直流也可是交流。共模干擾是指用信號兩級間的干擾電壓,主要由電磁場在信號間耦合感應及不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓,這種電壓疊加在信號上,會直接影響傳感器測量數據及精度。常見扭矩傳感器干擾現象有以下幾點:

1.扭矩傳感器信號不歸零。

2.扭矩測量數值上下波動。

3.傳感器工作時采集的信號與實際參數不符,而且誤差大沒有規律。

二、感應電和EMI干擾是怎么產生的

1.伺服系統的感應電和EMI干擾不屬于漏電問題。漏電本質是設備在特定的條件下,電器絕緣性能下降或絕緣損壞而出現設備外殼帶電現象。市場上主流的伺服驅動器或變頻器都采用PWM調節方式來控制電機旋轉,PWM調制方式都會采用電力電子開關元器件,例如:IGBT、IPM模塊等。而這些電子開關元件動作時在設備外殼感應出的電壓和電流能量較小,一般感應電流不會超過50mA,不會對設備造成損壞。

2.EMI問題分為輻射干擾和傳導干擾,傳導干擾主要由于干擾源產生的共模、差模電流和電壓干擾,通過設備外殼、多點接地、傳輸線路回路途徑傳導,在敏感器件及傳感器中引起現場設備通訊終端、采集的數據偏差、測量精度降低、數據傳輸丟失等現象,從而影響設備的正常工作。

3.一般伺服控制器和伺服電機的電壓電流等級較低,電磁干擾的輻射能力較小。同時伺服控制器信號傳輸數據一般采用差分或光耦器件等進行隔離,可以消除大部分的差模傳導干擾。大部分現場干擾問題主要來自共模電壓和電流干擾。共模電壓、電流與感應電壓、電流本質上是相同的,都屬于電力電子開關器件設備固有的一種屬性,無法完全消除。

三、伺服控制器及伺服電機感應電產生原理

1.伺服控制器感應電產生原理

(1)伺服控制器中的電力電子開關器件由于散熱的要求一般都安裝在散熱器上,如圖1所示,IGBT由于外殼帶有極性,一般通過導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.

等效電路

圖1電力電子開關器件安裝等效電路

(2)如圖2所示,當控制器工作時,開關器件PWM調制,開關器件由于對直流電壓進行斬波處理,瞬間的電壓變化量(dV/dt)在500V/us-1000V/us甚至更高,此時通過分布電容C則產生了感應電(i=C*dV/dt),nF級分布電容則可引起mA級的感應電流。

感應電原理

圖2電力電子開關器件感應電產生原理

(3).感應電與控制器的直流電壓、開關器件動作時間、分布電容大小等有關,一般功率越大、輸入電壓越高的伺服控制器感應電就越強。

2.伺服電機外殼感應電產生原理

(1)伺服電機內部繞組由銅線組成,U、V、W三相輸入電壓由伺服控制器內開關器件PWM控制。如圖3所示,伺服電機由于定子與轉子之間存在空隙,同時為了提高絕緣等級、增強結構強度和耐潮耐腐蝕性,一般采用樹脂骨架包裹、聚酯薄膜包覆、醇酸漆沉浸等工藝處理,因此電機同繞組與電機定子、轉子等效分為分布電容C。

伺服電機感應電

圖3伺服電機感應電產生原理

(2)當伺服控制器工作時,瞬間的電壓變化量(dV/dt)通過電機的分布電容C則產生了感應電(i=C*dV/dt),原理與控制器產生的感應電相似。

(3)感應電與電機所用控制器的性能有關(直流側電壓、開關器件動作時間),與電機制造工藝、絕緣厚度、鐵芯長度、氣隙等有關,一般容量越大的伺服電機感應電越強。

四、伺服系統感應電測量

1.三相四線制系統TN-C測試

(1)三相四線制系統(TN-C)中性線(N)與地線(PE)是連接的,一般稱之為三相四線制系統。檢查設備現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可認為連接良好。

電器配電柜

圖4 現場電器配電柜示意圖

(2)接伺服控制器和伺服電機,伺服系統放在有絕緣材料的工作臺上,確保伺服電機與工作臺面、地面絕緣。

(3)伺服控制器設置好參數并使能(可空載測試或僅使能),將萬用表設置到交流200V檔,紅表筆接伺服系統外殼,黑表筆接中性線(N),萬用表顯示讀數即為伺服系統交流感應電壓。萬用表必須是可測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不準確。

(4)保持第(3)條狀態,將交流毫安表一端連接伺服系統金屬外殼,一端接中性線(N),交流毫安表顯示讀數即為伺服系統交流感應電流。

2.三相五線制系統(TN-S)測試

(1)連接伺服控制器和伺服電機,伺服系統放在有絕緣材料的工作臺上,確保伺服電機與工作臺面絕緣。

(2)伺服控制器設置好參數并使能(可空載測試或僅使能),將萬用表設置到交流200V檔,紅表筆接伺服系統外殼,黑表筆接地線(PE),萬用表顯示讀數即為伺服系統交流感應電壓。萬用表必須是可測量交流電壓真有效值的萬用表,否則由于諧波造成讀數不準確。

(3)與第(2)條一致,將交流毫安表一端連接伺服系統金屬外殼,一端接地線(PE),交流毫安表顯示讀數即為伺服系統交流感應電流。

五、感應電及EMI干擾問題解決方法

1.接地

接地是最有效解決伺服系統使能后感應電引起的麻手、EMI干擾等問題,但前提是接地必須是有效且良好。

(1)現場供電系統為三相五線制系統(TN-S),如圖5所示將伺服系統金屬外殼通過導線直接與設備內保護地線PE連接,導線電阻不大于1Ω。

電路接地示意圖

圖5現場接地示意圖

(2)現場供電系統為三相四線制系統(TN-C),首先確認現場配電柜中中性線N與地線PE連接良好(方法見四.1.1),然后將伺服系統金屬外殼通過導線直接與中性線N連接,導線電阻不大于1Ω。

5.濾波

濾波器主要是作用于設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

在大功率伺服系統供電輸入端口加裝輸入濾波電抗器以改善電網諧波對控制器電流造成畸變的影響。輸入濾波電抗器容量選擇,應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。電抗器電感選擇:

電抗器公式

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

電抗器

圖6輸入濾波電抗器

(2)噪聲濾波器

噪聲濾波器是伺服控制器輸入側的濾波器,用于保護電網免受控制器產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。噪聲濾波器是伺服控制器輸入側的濾波器,用于保護電網免受控制器產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。

單相濾波器

單相噪聲濾波器

三相濾波器

三相噪聲濾波器

圖7噪聲濾波器

針對現場設備內控制、測量設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。

(3)線路濾波

針對數據通信及傳輸線路上共模噪聲干擾,建議采用帶有共軛磁環的數據線以消除共模干擾。共軛磁環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,它同時具有吸EMI吸收磁環收靜電脈沖能力,使電子設備達到電磁兼容(EMI/EMC)和靜電放電的相應國際標準,使用時可將一根多芯電纜或一束多股線纜穿于其中,多穿一次可加強其效果。帶磁環數據線如圖8所示。

磁環數據線

圖8帶磁環數據線

①差模干擾:

差模干擾指的是干擾電壓存在于信號線及其回線(一般稱為信號地線)之間,干擾電流回路則是在導線與參考物體構成的回路中流動。

干擾原理

②共模干擾:

共模干擾指的是干擾電壓在信號線及其回線(一般稱為信號地線)上的幅度相同,這里的電壓以附近任何一個物體(大地、金屬機箱、參考地線板等)為參考電位,干擾電流回路則是在導線與參考物體構成的回路中流動。

共模干擾原理

③中性線(N):

主要應用于工作回路,從區變電站變壓器中性點接地后引出主干線,用于工作回路的“工作地線”,接地后也稱“零線”。

④地線(PE):

不用于工作回路,只作為保護線,稱為保護地線。利用大地的絕對“0”電壓,當設備外殼發生漏電,電流會迅速流入大地,即使發生PE線有開路的情況,也會從附近的接地體流入大地。從變壓器中性點接地后引出主干線并每間隔20-30米重復接地。

電源插頭

⑤三相四線制系統(TN-C):

般在低壓配電網中,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,如果該回路電源側的中性點接地,則中性線也稱為零線,也稱PEN;如果不接地,則從嚴格意義上來說,中性線不能稱為零線。

四線制系統

⑥三相五線制系統(TN-S):

是指A、B、C、N和PE線,其中,PE線是保護地線,也叫安全地線,是專門用于接到諸如設備外殼等保證用電安全之用的。PE線在供電變壓器側和N線接到一起,但進入用戶側后絕不能當作零線使用。

五線制系統

三相五線制標準導線顏色為:A相線黃色,B相線綠色,C相線紅色,中性線N淡藍色,地線PE黃綠色。

中性線N與保護地線PE的根本區別在于:中性線N構成回路,保護地線PE僅起保護作用。不論N線(中性線)還是PE線(保護接地線),在用戶側都要采用重復接地,以提高可靠性。但是,重復接地只是重復接地,它只能在接地點或靠近接地的位置接到一起,但絕不表明可以在任意位置特別是戶內可以接到一起。

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