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伺服系统及EMI对扭矩传感器干扰问题解决方法

摘要:在伺服系统中电磁干扰问题对扭矩传感器和其他敏感器件产生的影响及屏蔽电磁干扰的解决方法。

一、伺服电机感应电及EMI干扰问题现象

伺服驱动器及伺服电机在通电待机时,所有设备正常工作,伺服系统在使用过程中电机启动时设备会带电,触碰时会有麻手感;这种感应电在控制、测量设备中会对采集数据产生干扰例如:采集的扭矩数据偏差大、扭矩传感器测量精度降低、数据丢失等现象。

干扰类型通常按照干扰原因的不同划分,其中:噪声干扰分为:放电噪声干扰、偶发噪声干扰等。按声音干扰模式的不同分为:差模干扰和共模干扰,共模干扰是信号对大地的电位差,主要由电网传入,地电位差及电磁辐射在信号线上感应的共态电压所形成。共模电压有时非常大,特别是采用隔离性能较差的电器供电室,变送器输出信号的共模普遍较高,有的高达130V以上。共模电压通过不对称电路可以转换成共模电压,直接影响扭矩传感器测量信号,严重的可造成传感器元器件损坏,这种共模干扰可为直流也可是交流。共模干扰是指用信号两级间的干扰电压,主要由电磁场在信号间耦合感应及不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种电压叠加在信号上,会直接影响传感器测量数据及精度。常见扭矩传感器干扰现象有以下几点:

1.扭矩传感器信号不归零。

2.扭矩测量数值上下波动。

3.传感器工作时采集的信号与实际参数不符,而且误差大没有规律。

二、感应电和EMI干扰是怎么产生的

1.伺服系统的感应电和EMI干扰不属于漏电问题。漏电本质是设备在特定的条件下,电器绝缘性能下降或绝缘损坏而出现设备外壳带电现象。市场上主流的伺服驱动器或变频器都采用PWM调节方式来控制电机旋转,PWM调制方式都会采用电力电子开关元器件,例如:IGBT、IPM模块等。而这些电子开关元件动作时在设备外壳感应出的电压和电流能量较小,一般感应电流不会超过50mA,不会对设备造成损坏。

2.EMI问题分为辐射干扰和传导干扰,传导干扰主要由于干扰源产生的共模、差模电流和电压干扰,通过设备外壳、多点接地、传输线路回路途径传导,在敏感器件及传感器中引起现场设备通讯终端、采集的数据偏差、测量精度降低、数据传输丢失等现象,从而影响设备的正常工作。

3.一般伺服控制器和伺服电机的电压电流等级较低,电磁干扰的辐射能力较小。同时伺服控制器信号传输数据一般采用差分或光耦器件等进行隔离,可以消除大部分的差模传导干扰。大部分现场干扰问题主要来自共模电压和电流干扰。共模电压、电流与感应电压、电流本质上是相同的,都属于电力电子开关器件设备固有的一种属性,无法完全消除。

三、伺服控制器及伺服电机感应电产生原理

1.伺服控制器感应电产生原理

(1)伺服控制器中的电力电子开关器件由于散热的要求一般都安装在散热器上,如图1所示,IGBT由于外壳带有极性,一般通过导热绝缘垫安装在散热器上。IPM模块等则直接安装。由于引入内部绝缘和外部绝缘,则等效于器件集电极与散热面或器件外壳的分布电容C.

等效电路

图1电力电子开关器件安装等效电路

(2)如图2所示,当控制器工作时,开关器件PWM调制,开关器件由于对直流电压进行斩波处理,瞬间的电压变化量(dV/dt)在500V/us-1000V/us甚至更高,此时通过分布电容C则产生了感应电(i=C*dV/dt),nF级分布电容则可引起mA级的感应电流。

感应电原理

图2电力电子开关器件感应电产生原理

(3).感应电与控制器的直流电压、开关器件动作时间、分布电容大小等有关,一般功率越大、输入电压越高的伺服控制器感应电就越强。

2.伺服电机外壳感应电产生原理

(1)伺服电机内部绕组由铜线组成,U、V、W三相输入电压由伺服控制器内开关器件PWM控制。如图3所示,伺服电机由于定子与转子之间存在空隙,同时为了提高绝缘等级、增强结构强度和耐潮耐腐蚀性,一般采用树脂骨架包裹、聚酯薄膜包覆、醇酸漆沉浸等工艺处理,因此电机同绕组与电机定子、转子等效分为分布电容C。

伺服电机感应电

图3伺服电机感应电产生原理

(2)当伺服控制器工作时,瞬间的电压变化量(dV/dt)通过电机的分布电容C则产生了感应电(i=C*dV/dt),原理与控制器产生的感应电相似。

(3)感应电与电机所用控制器的性能有关(直流侧电压、开关器件动作时间),与电机制造工艺、绝缘厚度、铁芯长度、气隙等有关,一般容量越大的伺服电机感应电越强。

四、伺服系统感应电测量

1.三相四线制系统TN-C测试

(1)三相四线制系统(TN-C)中性线(N)与地线(PE)是连接的,一般称之为三相四线制系统。检查设备现场中性线与地线是否连接良好,方法:如图4所示打开配电柜,用万用表交流档测试中性线(N)与地线(PE或者配电柜金属裸露部分)压差不大于10V可认为连接良好。

电器配电柜

图4 现场电器配电柜示意图

(2)接伺服控制器和伺服电机,伺服系统放在有绝缘材料的工作台上,确保伺服电机与工作台面、地面绝缘。

(3)伺服控制器设置好参数并使能(可空载测试或仅使能),将万用表设置到交流200V档,红表笔接伺服系统外壳,黑表笔接中性线(N),万用表显示读数即为伺服系统交流感应电压。万用表必须是可测量交流电压真有效值的万用表,否则可能由于谐波含量高造成读数不准确。

(4)保持第(3)条状态,将交流毫安表一端连接伺服系统金属外壳,一端接中性线(N),交流毫安表显示读数即为伺服系统交流感应电流。

2.三相五线制系统(TN-S)测试

(1)连接伺服控制器和伺服电机,伺服系统放在有绝缘材料的工作台上,确保伺服电机与工作台面绝缘。

(2)伺服控制器设置好参数并使能(可空载测试或仅使能),将万用表设置到交流200V档,红表笔接伺服系统外壳,黑表笔接地线(PE),万用表显示读数即为伺服系统交流感应电压。万用表必须是可测量交流电压真有效值的万用表,否则由于谐波造成读数不准确。

(3)与第(2)条一致,将交流毫安表一端连接伺服系统金属外壳,一端接地线(PE),交流毫安表显示读数即为伺服系统交流感应电流。

五、感应电及EMI干扰问题解决方法

1.接地

接地是最有效解决伺服系统使能后感应电引起的麻手、EMI干扰等问题,但前提是接地必须是有效且良好。

(1)现场供电系统为三相五线制系统(TN-S),如图5所示将伺服系统金属外壳通过导线直接与设备内保护地线PE连接,导线电阻不大于1Ω。

电路接地示意图

图5现场接地示意图

(2)现场供电系统为三相四线制系统(TN-C),首先确认现场配电柜中中性线N与地线PE连接良好(方法见四.1.1),然后将伺服系统金属外壳通过导线直接与中性线N连接,导线电阻不大于1Ω。

5.滤波

滤波器主要是作用于设备传输线路的输入输出端口,消耗噪声干扰在线路中传播的能量,起到抑制噪声的目的。

(1)输入滤波电抗器

在大功率伺服系统供电输入端口加装输入滤波电抗器以改善电网谐波对控制器电流造成畸变的影响。输入滤波电抗器容量选择,应使在额定电压和额定电流的条件下,电抗器上的压降在额定电压的2%~5%范围内。电抗器电感选择:

电抗器公式

其中V为额定电压(V),I为额定电流(A),f为最大频率(Hz),电抗器如图6所示

电抗器

图6输入滤波电抗器

(2)噪声滤波器

噪声滤波器是伺服控制器输入侧的滤波器,用于保护电网免受控制器产生反馈的谐波及噪声影响。线路滤波器可以是有源滤波器或无源滤波器,用于过滤5、7、11、13次电源频率的低频谐波,以及过滤10 kHz以上的高频干扰电压(RFI抑制滤波器),注意:噪声滤波器外壳接线端子必须接地线(PE)才能更好的滤除噪声,噪声滤波器见图7。噪声滤波器是伺服控制器输入侧的滤波器,用于保护电网免受控制器产生反馈的谐波及噪声影响。线路滤波器可以是有源滤波器或无源滤波器,用于过滤5、7、11、13次电源频率的低频谐波,以及过滤10 kHz以上的高频干扰电压(RFI抑制滤波器),注意:噪声滤波器外壳接线端子必须接地线(PE)才能更好的滤除噪声,噪声滤波器见图7。

单相滤波器

单相噪声滤波器

三相滤波器

三相噪声滤波器

图7噪声滤波器

针对现场设备内控制、测量设备电源输入端接加装噪声滤波器以消除共电源引起的谐波及噪声影响。

(3)线路滤波

针对数据通信及传输线路上共模噪声干扰,建议采用带有共轭磁环的数据线以消除共模干扰。共轭磁环可抑制多股线缆上的EMI干扰抑制,包括电源线上的噪声和尖峰干扰,它同时具有吸EMI吸收磁环收静电脉冲能力,使电子设备达到电磁兼容(EMI/EMC)和静电放电的相应国际标准,使用时可将一根多芯电缆或一束多股线缆穿于其中,多穿一次可加强其效果。带磁环数据线如图8所示。

磁环数据线

图8带磁环数据线

①差模干扰:

差模干扰指的是干扰电压存在于信号线及其回线(一般称为信号地线)之间,干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动。

干扰原理

②共模干扰:

共模干扰指的是干扰电压在信号线及其回线(一般称为信号地线)上的幅度相同,这里的电压以附近任何一个物体(大地、金属机箱、参考地线板等)为参考电位,干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动。

共模干扰原理

③中性线(N):

主要应用于工作回路,从区变电站变压器中性点接地后引出主干线,用于工作回路的“工作地线”,接地后也称“零线”。

④地线(PE):

不用于工作回路,只作为保护线,称为保护地线。利用大地的绝对“0”电压,当设备外壳发生漏电,电流会迅速流入大地,即使发生PE线有开路的情况,也会从附近的接地体流入大地。从变压器中性点接地后引出主干线并每间隔20-30米重复接地。

电源插头

⑤三相四线制系统(TN-C):

般在低压配电网中,输电线路一般采用三相四线制,三条线路分别为A,B,C三相,另一条是中性线N,如果该回路电源侧的中性点接地,则中性线也称为零线,也称PEN;如果不接地,则从严格意义上来说,中性线不能称为零线。

四线制系统

⑥三相五线制系统(TN-S):

是指A、B、C、N和PE线,其中,PE线是保护地线,也叫安全地线,是专门用于接到诸如设备外壳等保证用电安全之用的。PE线在供电变压器侧和N线接到一起,但进入用户侧后绝不能当作零线使用。

五线制系统

三相五线制标准导线颜色为:A相线黄色,B相线绿色,C相线红色,中性线N淡蓝色,地线PE黄绿色。

中性线N与保护地线PE的根本区别在于:中性线N构成回路,保护地线PE仅起保护作用。不论N线(中性线)还是PE线(保护接地线),在用户侧都要采用重复接地,以提高可靠性。但是,重复接地只是重复接地,它只能在接地点或靠近接地的位置接到一起,但绝不表明可以在任意位置特别是户内可以接到一起。

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