概述

電磁干擾是一個(gè)影響伺服驅(qū)動(dòng)器及其周?chē)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/2364/" target="_blank">電氣設(shè)備的問(wèn)題，它可能會(huì)導(dǎo)致一些不便： · 反饋設(shè)備的讀數(shù)不正確會(huì)導(dǎo)致控制問(wèn)題和電機(jī)故障。 · 通信問(wèn)題和數(shù)據(jù)丟失或同步。 · 對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)附近周?chē)娐返母蓴_。 · 不符合電磁兼容性 （EMC） 標(biāo)準(zhǔn)。 幸運(yùn)的是，了解本文檔中介紹的模型的問(wèn)題應(yīng)該允許在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段（首選）或現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)簡(jiǎn)單的操作來(lái)解決大多數(shù)EMC問(wèn)題。本文檔旨在展示一個(gè)框架來(lái)理解和解決問(wèn)題，而不是再次重復(fù)模糊的經(jīng)驗(yàn)法則，例如連接保護(hù)接地，屏蔽電纜或添加鐵氧體。

了解驅(qū)動(dòng)器上的 EMC

EMC 基礎(chǔ)知識(shí)

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(yùn)行的能力，通過(guò)限制電磁能量的無(wú)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?yè)p壞。區(qū)分EMI中涉及的3個(gè)元素至關(guān)重要： · 源 · 耦合通道 · 受干擾

分壓器型號(hào)

為了量化干擾對(duì)受干擾的影響，有一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的模型可以知道哪個(gè)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(wèn)題發(fā)生在瞬態(tài)和交流信號(hào)上，因此分壓器應(yīng)使用阻抗代替電阻器。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常不必對(duì) Z 使用復(fù)數(shù)，而只需使用阻抗和電壓的絕對(duì)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(jì)算。 Z2是受干擾在給定頻率下的阻抗。對(duì)于純電阻電路，這個(gè)Z就是電阻。對(duì)于電容輸入 Z = 1 / (2 · π · f · C). f是干擾的基頻。 請(qǐng)注意，有時(shí)有問(wèn)題的頻率并不明顯。例如，電機(jī)相位的基本開(kāi)關(guān)頻率10 kHz~100 kHz通常不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。相反，問(wèn)題來(lái)自10 MHz和1 GHz之間的諧波。大多數(shù)硬開(kāi)關(guān)信號(hào)和晶體也是如此，請(qǐng)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(gè)模型將使接下來(lái)指出的許多行動(dòng)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(kāi)關(guān)，繼電器，電源線浪涌，靜電放電（ESD），雷擊，射頻設(shè)備等。

來(lái)自環(huán)境的電磁干擾源

外部干擾源可根據(jù) EMC 標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾類(lèi)： · 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(dòng)器。 每個(gè)都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試，這取決于產(chǎn)品類(lèi)別和環(huán)境。另有說(shuō)明，毅勁伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)符合 IEC 61800-3：可調(diào)速電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) - 第 3 部分：EMC 要求和特定測(cè)試方法。

來(lái)自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身的 EMI 源

伺服驅(qū)動(dòng)器上的EMI源可以來(lái)自通信總線，如EtherCAT或CAN，DC/DC轉(zhuǎn)換器或高頻時(shí)鐘。然而，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上最重要的干擾源是功率級(jí)。因此，大多數(shù)干擾問(wèn)題都是由伺服驅(qū)動(dòng)器本身產(chǎn)生的，而不是來(lái)自安裝或環(huán)境的其余部分。功率級(jí)在設(shè)計(jì)上是功率級(jí)晶體管每次開(kāi)關(guān)期間非常強(qiáng)大的電磁干擾源。開(kāi)關(guān)功率級(jí)的發(fā)射取決于：

為了了解功率級(jí)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(shí)間非常短，范圍從200 ns到5 ns不等，具體取決于功率級(jí)技術(shù)，工作點(diǎn)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(jì)其大小。

雖然這可能違反直覺(jué)，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(jī)相位輸出在時(shí)域（示波器）中可能看起來(lái)更丑陋，但可能導(dǎo)致較少的EMI問(wèn)題。占空比的變化也會(huì)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(lèi)：共感，共感，電感和電容。 請(qǐng)注意，許多耦合不一定發(fā)生在單個(gè)通道上，而是作為它們的組合。例如，從電機(jī)電纜到編碼器的電感耦合，通過(guò)PCB上的導(dǎo)電耦合傳輸?shù)酵ㄐ哦丝?，然后通過(guò)通信電纜輻射。 下表說(shuō)明了每個(gè)通道以及可以采取哪些操作來(lái)緩解它：

當(dāng)遇到干擾問(wèn)題時(shí)，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(wèn)題的根源是導(dǎo)電、電感或電容耦合，輻射是次級(jí)耦合通道。

電磁干擾受干擾

EMI受干擾是受通過(guò)通道耦合的干擾源影響的電路。這是否會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題將取決于干擾對(duì)受干擾的幅度以及這種幅度對(duì)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?yè)p壞。 根據(jù)受干擾的電路，免疫水平可能會(huì)有所不同。下表提到了提高免疫力的幾種方法：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 EMC 模型

下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的電氣模型，該模型強(qiáng)調(diào)了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中EMC所涉及的主要元素。請(qǐng)注意，在“原理圖”或“接線圖”上找不到EMC中涉及的許多元素，因?yàn)橛幸粋€(gè)包含寄生元件的替代“不可見(jiàn)”原理圖。

電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體EMC有很大的影響。其電感和電阻會(huì)影響低頻諧波，但更重要的是寄生電容，這些電容在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都會(huì)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(jī)箱電容 （Cwc）。此外，在nF或pF的順序中，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱的電流峰值，輻射和共模問(wèn)題。 · 定子-轉(zhuǎn)子電容會(huì)導(dǎo)致軸承電流和高壓驅(qū)動(dòng)器（不包括在圖紙中）的過(guò)早失效。 · 電機(jī)底盤(pán)對(duì)地電容很大程度上取決于電機(jī)的安裝位置（如果電機(jī)接地良好，驅(qū)動(dòng)器接地后，此電容可以忽略不計(jì)）。 可以推斷，即使平均電流為零，每次相位改變其電壓時(shí)都會(huì)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(wèn)題。事實(shí)上，它們可以通過(guò)電機(jī)電纜或電機(jī)底盤(pán)本身進(jìn)行輻射。 電機(jī)設(shè)計(jì)和布線對(duì)EMI影響很大 根據(jù)電機(jī)和布線的不同，相同的伺服驅(qū)動(dòng)器可以完美地工作，沒(méi)有EMC問(wèn)題，或者有很大的干擾問(wèn)題并且不符合EMC標(biāo)準(zhǔn)。理想的電機(jī)應(yīng)具有低寄生電容，并且應(yīng)具有與其底盤(pán)的良好接地連接。 下面解釋了為什么每個(gè)安裝手冊(cè)上重復(fù)的建議都非常有用。

使電機(jī)接地、屏蔽相位和扼流圈的效果

解決伺服驅(qū)動(dòng)器上大多數(shù)排放問(wèn)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(dòng)系統(tǒng)固有的噪聲特性，當(dāng)應(yīng)滿足傳導(dǎo)發(fā)射水平時(shí)，通常需要線路濾波器。在某些情況下，傳導(dǎo)EMI會(huì)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(dāng)各種驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，線路濾波器可以在具有公共直流總線的各種驅(qū)動(dòng)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(jìn)行測(cè)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(dòng)系統(tǒng)上找到過(guò)，但由于它是EMC實(shí)驗(yàn)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(shí)將其阻斷為電感元件。

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

為避免電源電纜的輻射，請(qǐng)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(gè)點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生副作用，如接地電流、安全問(wèn)題和對(duì)瞬變的抗擾度降低。

一些電池供電系統(tǒng)沒(méi)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(qǐng)注意不要從電源電纜輻射問(wèn)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(guò)濾器。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器集成在電機(jī)外殼上時(shí)，解決了幾個(gè)問(wèn)題

當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器集成到電機(jī)中時(shí)，開(kāi)關(guān)干擾被封閉在充當(dāng)法拉第保持架的底盤(pán)上。布線長(zhǎng)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(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

EMC 不僅僅是通過(guò)認(rèn)證。它確保系統(tǒng)堅(jiān)固耐用，并且不會(huì)對(duì)附近的設(shè)備造成問(wèn)題。

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

牢記源通道受干擾框架對(duì)于解決這些問(wèn)題非常實(shí)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(shí)需要使用示波器，頻譜分析儀來(lái)測(cè)量正在發(fā)生的事情。

當(dāng)面臨干擾發(fā)射問(wèn)題時(shí)，從明顯的來(lái)源開(kāi)始：電機(jī)相位的切換，并檢查是否應(yīng)用了短電機(jī)電纜的“經(jīng)驗(yàn)法則”，接地良好，屏蔽相位，并使用電機(jī)扼流圈。在100%清楚之后，繼續(xù)進(jìn)行其他不太可能的假設(shè)。

如果反饋受到干擾，請(qǐng)考慮數(shù)字濾波，因?yàn)樗哂凶畹偷某杀静⑶铱梢钥焖賾?yīng)用。如果可能，請(qǐng)選擇具有差分接口和CRC的魯棒反饋。

將驅(qū)動(dòng)器靠近電機(jī)，如果可能的話，在機(jī)箱內(nèi)可以解決伺服驅(qū)動(dòng)器中遇到的大多數(shù)EMC問(wèn)題，從而最大限度地提高通過(guò)EMC認(rèn)證的機(jī)會(huì)，并以最低的成本和最大的簡(jiǎn)單性完成所有工作。

審核編輯：陳陳