伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾及抑制策略探析

張 霞

(成都師范學(xué)院，成都611130)

1 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)概述

電磁兼容作為一門(mén)學(xué)科，以電磁場(chǎng)、電磁波理論、電路理論和信號(hào)分析為基礎(chǔ)，引起了人們的廣泛研究。隨著電力電子的飛速發(fā)展，機(jī)電型的伺服系統(tǒng)成為主要形式，裝備中伺服系統(tǒng)的大功率、大負(fù)載及高響應(yīng)性的要求，使得系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題較為突出，這成為制約伺服傳動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素［1］。

本文涉及的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)具有大功率、大負(fù)載和頻繁高速起動(dòng)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)除工作在原有電磁場(chǎng)環(huán)境的同時(shí)，自身運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。伺服系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)需不影響原設(shè)計(jì)的控制意圖，同時(shí)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁噪聲所造成的電磁波干擾必須限制在一定的電平，不致對(duì)周?chē)碾姶艌?chǎng)環(huán)境造成嚴(yán)重污染和影響控制信號(hào)傳輸及各頻段電磁波信號(hào)的接收和發(fā)射?；谏鲜鲆蛩氐目紤]，伺服系統(tǒng)要求具有良好的電磁兼容性(EMC)［2］。

在上述電磁兼容理論分析基礎(chǔ)上，本文結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)研制過(guò)程中，某型伺服傳動(dòng)系統(tǒng)因產(chǎn)生大量電磁干擾導(dǎo)致無(wú)法正常工作的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并對(duì)屏蔽外部電磁干擾的措施進(jìn)行了論述。

2 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾問(wèn)題分析

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)是集伺服系統(tǒng)控制、伺服精度分析、伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精密機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模等技術(shù)與一體的，以伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)和伺服控制有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物［3－4］。本文以參與調(diào)試的某型伺服傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾為例，對(duì)干擾現(xiàn)象及抗干擾策略進(jìn)行了分析。

2.1 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

本傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為伺服傳動(dòng)系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)。

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示，傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括方位和俯仰傳動(dòng)裝置兩部分，依次帶動(dòng)方位減速器、方位小齒輪、盤(pán)式軸承，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)及俯仰部分作方位轉(zhuǎn)動(dòng);俯仰電機(jī)帶動(dòng)俯仰減速器及其軸上的天線作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。由于方位和俯仰都是在有限范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而方位、俯仰均設(shè)置機(jī)械限位和電限位裝置，作為安全保護(hù)。編碼器通過(guò)兩級(jí)傳動(dòng)檢測(cè)方位軸的運(yùn)動(dòng)情況。俯仰碼盤(pán)直接裝于俯仰軸上，與俯仰軸同步運(yùn)動(dòng)。

伺服控制分機(jī)接收主控系統(tǒng)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，并實(shí)時(shí)上報(bào)分機(jī)狀態(tài)。圖2 為伺服控制系統(tǒng)組成原理圖，伺服控制系統(tǒng)接收編碼器計(jì)數(shù)信息，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理得到誤差信號(hào)，將它換算成控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電壓信號(hào)的大小計(jì)算出PWM 驅(qū)動(dòng)電壓的占空比，輸出驅(qū)動(dòng)電壓到電機(jī)繞組，完成對(duì)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制傳動(dòng)座的目的。

2.2 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)干擾現(xiàn)象分析

電磁干擾問(wèn)題是工程項(xiàng)目中較為棘手復(fù)雜的問(wèn)題之一，不確定性因素很多。對(duì)某伺服傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)過(guò)程中，出現(xiàn)如下兩種不正?，F(xiàn)象:通過(guò)主控系統(tǒng)發(fā)送命令，轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng);發(fā)送主控命令后，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)較小的角度后停止，并出現(xiàn)編碼器報(bào)警現(xiàn)象。本文采用實(shí)驗(yàn)對(duì)比法，伺服電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行觀察。圖3 為靜態(tài)下編碼器輸出的峰值為1 V 的正余弦電壓信號(hào)，淺色線代表正弦信號(hào)，較深線代表余弦信號(hào)。由圖可知信號(hào)的幅度信息產(chǎn)生非常多的毛刺，并且毛刺峰值很大，與正常值間的差異達(dá)到2 500 編碼器輸出值(對(duì)應(yīng)電壓0.05 V)，傳感器模塊無(wú)法計(jì)算電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，伺服傳動(dòng)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題，造成該設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。

3 電磁干擾問(wèn)題抑制策略

電磁干擾的產(chǎn)生無(wú)法避免，但在設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程中可通過(guò)采取相關(guān)技術(shù)措施對(duì)電磁干擾進(jìn)行抑制，以達(dá)到消除或減小對(duì)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作的目的。

3.1 抑制干擾主要技術(shù)措施

如圖4 所示，抗電磁干擾的三大技術(shù)是屏蔽、接地、濾波［5］。下面主要從這三方面分別來(lái)討論電磁干擾的抑制技術(shù)。

1)屏蔽。電磁屏蔽室電磁兼容技術(shù)一項(xiàng)重要措施，主要是利用屏蔽材料將干擾源封閉以阻止或減小電磁能量傳輸。本伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵的電源信號(hào)和控制信號(hào)多采用防波套、雙腳屏蔽線等屏蔽措施進(jìn)行屏蔽處理。

2)接地。采取接地措施，在屏蔽體與干擾源間建立良好的電氣連接，可對(duì)高頻干擾信號(hào)形成低阻通路，抑制高頻干擾產(chǎn)生。根據(jù)實(shí)際情況可采取單端接地或雙端接地等措施。

3)濾波。EMI 濾波器經(jīng)常在阻抗失配狀態(tài)下運(yùn)行，為了保證具有良好的濾波特性，通常通過(guò)抑制噪聲源能量，切斷耦合的途徑，提高電磁干擾能力。

3.2 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)干擾抑制

針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾，著重分析了電纜輻射和機(jī)箱輻射對(duì)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，并采用基于實(shí)驗(yàn)的“插入損耗法”計(jì)算噪聲的阻抗信息［6－7］。如圖5 所示，主要工作有:采用電纜屏蔽層采取多點(diǎn)接地的方式、差分信號(hào)采用屏蔽雙絞線處理、關(guān)鍵信號(hào)纏繞防波套處理等;改善伺服控制機(jī)驅(qū)動(dòng)分機(jī)接地環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)機(jī)箱干擾的屏蔽;改善編碼器端信號(hào)地線環(huán)境。

通過(guò)上述對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的輻射干擾的簡(jiǎn)要分析，排除了傳動(dòng)系統(tǒng)的接大地問(wèn)題以及關(guān)鍵信號(hào)線和電源線的屏蔽問(wèn)題，并最終確定編碼器輸出的差分信號(hào)(正弦/余弦信號(hào))電磁干擾非常大是因?yàn)樵摬遄膬?nèi)部信號(hào)地引腳接地存在問(wèn)題，將該引腳與防波套端接后，差分信號(hào)幅度差值非常小(約500/10 mV)，圖6 為電機(jī)不工作時(shí)靜態(tài)正弦電壓信號(hào)(1 V峰值)，正弦電壓信號(hào)的幅值強(qiáng)度可以作為反饋，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。表明外圍干擾不足影響轉(zhuǎn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在主控命令控制下，轉(zhuǎn)臺(tái)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁干擾得到了抑制。

3.3 電磁干擾抑制效果的驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比法查找出電磁干擾現(xiàn)象存在問(wèn)題并采取措施后，伺服系統(tǒng)可正常工作，圖7 為電機(jī)在動(dòng)態(tài)(低速運(yùn)轉(zhuǎn))下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器軟件采集的編碼器幅度波形。正常情況下，伺服系統(tǒng)的傳感器采集模塊可識(shí)別的電壓為0. 5 V(對(duì)應(yīng)編碼器輸出值為25 000)，圖中采集波形幅值約為0.4 V(對(duì)編碼器輸出值為20 000)，滿(mǎn)足傳感器模塊能夠識(shí)別的邊界值，說(shuō)明伺服反饋裝置處于正常工作狀態(tài)，干擾抑制有效，系統(tǒng)能夠正常工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)調(diào)試過(guò)程中伺服傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾因素的分析，提出了相應(yīng)的抑制措施，主要包括對(duì)驅(qū)動(dòng)電纜的屏蔽層接地方式的改善以及加強(qiáng)對(duì)機(jī)箱的屏蔽處理，提高了屏蔽效能。為了考察抑制措施的有效性，本文分別在靜態(tài)(電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài))和動(dòng)態(tài)(正常運(yùn)行)下對(duì)伺服反饋系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行的分析，并通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)干擾抑制的實(shí)際效果，驗(yàn)證該伺服傳動(dòng)系統(tǒng)干擾抑制策略的有效性。

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