伺服系统感应电及EMI干扰问题的解决方法

伺服系统感应电及EMI干扰问题的解决方法1.感应电及EMI干扰问题现象伺服系统（伺服驱动器、伺服电机）上电待机时，所有设备工作正常；伺服系统在使能或者伺服电机启动时设备带电，触摸时有麻手感；伺服系统在使能或者伺服电机启动时，控制、测量设备（如PLC、计算机、触摸屏等）有采集数据有偏差、控制精度降低、丢失数据或指令脉冲等现象；干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。

其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、偶发噪声等：按声音干扰模式不同，分为差模干扰（注①）和共模干扰（注②）。

共模干扰是信号对地面的电位差，主要是由电网串入，地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态电压所加形成。

共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。

共模电压通过不对称电路可转换成共模电压，直接影响测控信号，造成元器件坏，这种共模干扰可为直流、亦可谓交流。

共模干扰是指用于信号两级间得干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

常见的干扰现象有以下几点：1) 系统发指令时，电机无规则地转动;2) 信号等于零时，数字显示表数值乱跳;3) 传感器工作时，PLC采集过来的信号与实际参数所对应得信号值不吻合，且误差值是随机的，无规律的;4) 与交流伺服系统共用同一电源工作不正常。

2.感应电及EMI干扰产生概述1)伺服系统感应电及EMI干扰问题不属于漏电问题。

漏电本质是设备在一定的环境或外力条件下，电气绝缘性能下降或绝缘遭到破坏而出现设备外壳带电的现象。

现市场上主流驱动器（包括国产和进口）都采用PWM调制方式产生电机旋转电压，PWM调制方式都会采用电力电子开关器件（如IGBT、IPM模块等）。

而这些电力电子开关器件动作时在设备外壳感应出的电压和电流且能量较小（一般感应电流不超过50mA），不会对人体和设备造成破坏性损害；2)EMI问题分为传导干扰和辐射干扰，传导干扰主要是由于干扰源产生干扰（共模、差模电流和电压），经过传播途径（设备外壳、多点接地、传输线路回路），在敏感器件引起现场设备通信中断、采集数据偏差、控制精度降低、数据或指令脉冲传输丢失等现象，从而影响设备的正常工作。

3)伺服驱动器和伺服电机一般电压、电流等级较低，电磁干扰的空间辐射能力较小。

同时驱动器信号数据传输一般采用差分器件或者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共模电流干扰。

共模电压和共模电流与感应电压和感应电流本质相同，属于含电力电子开关器件设备固有的一种属性，无法完全消除。

3.伺服驱动器及伺服电机感应电产生机理3.1.伺服驱动器感应电产生机理1)伺服驱动器中电力电子开关器件由于散热需求一般安装在散热器上；2)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；图1 电力电子开关器件安装等效电路3)如图2所示，当驱动器使能时，开关器件PWM调制，开关器件由于对直流侧电压（一般驱动器内直流电压在300和530左右）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。

图2 电力电子开关器件感应电产生原理4)感应电与驱动器的直流侧电压、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驱动器感应电越强。

3.2.伺服电机外壳感应电产生机理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驱动器内开关器件PWM调制；2)如图3所示，伺服电机由于气隙存在，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、聚脂薄膜包覆、醇酸漆沉浸等工艺处理，因此电机同绕组与电机定子、转子等效为分布电容C；图3 伺服电机感应电产生原理3)当伺服驱动器使能时，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），原理与驱动器产生感应电相似。

4)感应电与电机所用驱动器的性能有关（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。

4.伺服系统感应电测量4.1.三相四线制系统（TN-C）（注⑤）测试1)三相四线制系统（TN-C）中性线（N）（注③）与地线（PE）（注④）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；图4 现场电气配电柜示意图2)连接伺服驱动器和伺服电机，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)伺服驱动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3）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。

4.2.三相五线制系统（TN-S）（注⑥）测试1)连接伺服驱动器和伺服电机，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)伺服驱动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)保持2）状态，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。

5.伺服系统交流感应电及EMI干扰问题解决5.1.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；图5 图4 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）），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；5.2.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驱动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：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；图6 输入滤波电抗器2)噪声滤波器噪声滤波器是伺服驱动器输入侧的滤波器，用于保护电网免受驱动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。

a)单相噪声滤波器 b)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，滤波器如）中所示。

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。

图8 带磁环数据线注：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。

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。

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）；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）。

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。

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。