數(shù)控機(jī)床加工中伺服系統(tǒng)的EMI抑制方法

柯萬宇，湯前進(jìn)，褚仁林，雷 力，吳 慧，方 平

（1.武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.武漢文華學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及機(jī)床本體組成[1]，是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)。它的性能、質(zhì)量以及擁有量是衡量一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，高速、高效、自動化、高精度以及高可靠性是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢。數(shù)控機(jī)床的可靠性作為衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)，其中伺服驅(qū)動的諧波抑制是衡量數(shù)控機(jī)床可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)[2]。伺服單元采用空間矢量PWM調(diào)制方式，而電力器件工作在開關(guān)狀態(tài)會產(chǎn)生較大的du/dt和di/dt。開關(guān)電壓和電流均含有豐富的高次諧波，因此電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）問題尤為突出。伺服系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾以共模EMI為主，共模電流經(jīng)大地構(gòu)成回路形成天線效應(yīng)，給其他設(shè)備帶來嚴(yán)重的EMI，使得共模EMI造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模EMI造成的危害。因此，共模EMI在伺服驅(qū)動的電磁兼容性設(shè)計(jì)中顯得尤為重要，而這種共模電流即系統(tǒng)的高頻漏電流[3-8]。

1 伺服系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

1.1 伺服系統(tǒng)工作原理

機(jī)床加工中，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心。它根據(jù)加工工藝要求完成插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出各種控制指令。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動裝置，接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的各種指令，驅(qū)動機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定的運(yùn)動。伺服系統(tǒng)包括主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。其中，X、Y以及Z軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動，S軸主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，包括主軸的速度控制、主軸與進(jìn)給驅(qū)動的同步控制、準(zhǔn)停控制以及角度分度控制。電機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行單元，為連接的機(jī)械提供所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

1.2 伺服系統(tǒng)平臺配置

圖1為某機(jī)床廠一個(gè)較為典型的案例，即在數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)行中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，甚至在伺服系統(tǒng)上使能的瞬間或加工過程中會出現(xiàn)漏電保護(hù)開關(guān)跳閘而導(dǎo)致機(jī)床不能正常運(yùn)行。搭建的伺服系統(tǒng)測試平臺模擬復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場的工作狀態(tài)并做改進(jìn)措施，如圖2所示。

圖1 某機(jī)床廠典型案例

圖2 伺服系統(tǒng)測試平臺

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為IPC→MCP→S軸主軸→X軸伺服→Y軸伺服→Z軸伺服→IO→回到IPC。伺服驅(qū)動系統(tǒng)配置中，X和Y軸為交流伺服驅(qū)動單元，3.6 kW交流伺服電機(jī)，Z軸為交流伺服驅(qū)動單元，4.7 kW交流伺服電機(jī)，S主軸為交流伺服主軸驅(qū)動單元，7.5 kW交流主軸電機(jī)。

2 EMI及漏電流產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 機(jī)床中的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)床加工中產(chǎn)生EMI諧波干擾的機(jī)理十分復(fù)雜。機(jī)床電氣系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)的動力線經(jīng)過漏保開關(guān)接入機(jī)床的供電系統(tǒng)，再經(jīng)過數(shù)控機(jī)床的總成開關(guān)將三相動力線經(jīng)電抗器接入機(jī)床上的各接觸器及開關(guān)組件，然后通過這些組件將動力線接入開關(guān)電源和各伺服驅(qū)動單元。開關(guān)電源負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)、I/O盒、各繼電器開關(guān)以及檢測系統(tǒng)的供電。如圖3所示，為了方便研究說明，特列出了電纜分布電容、伺服單元以及電機(jī)寄生電容。

2.2 伺服系統(tǒng)漏電流分布及機(jī)理分析

伺服單元和電機(jī)系統(tǒng)如圖4所示，伺服系統(tǒng)漏電流主要由3個(gè)部分引起。第一，伺服單元。伺服驅(qū)動器功率部分主要由整流模塊、IGBT模塊或IPM單元組成。功率器件的金屬外殼與散熱器之間通過導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)相隔離，散熱器通過機(jī)箱接到機(jī)床殼體，因此在功率器件與機(jī)床殼體之間形成了一個(gè)較大的寄生耦合電容。第二，電機(jī)部分。電機(jī)繞組和電機(jī)機(jī)殼之間的分布電容耦合。第三，電纜線部分。輸入電纜線及伺服單元到電機(jī)的輸出電纜線和地之間的分布電容耦合。

根據(jù)圖3拓?fù)?，由基爾霍夫電壓定律可得?/p>

圖3 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中，VU、Vv、Vw為伺服驅(qū)動輸出端相電壓，Vn為電機(jī)中性點(diǎn)電壓，iU、iv、iw為正常運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)的三相電流。將方程相加，可以得到：

正常運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)的三相電流對稱，即：

將式（3）代入式（2），可得電機(jī)端的共模電壓：

伺服驅(qū)動單元采用的是PWM控制方式，在伺服單元的功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，du/dt和di/dt較大，開關(guān)電壓和電流均含有豐富的高次諧波。這些高頻成分主要通過寄生電容和分布電容形成漏電流，經(jīng)過大地傳導(dǎo)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。因此，漏電流的近似計(jì)算式為：

式中，Gg為三相輸入電纜線及伺服單元輸出到電機(jī)端電纜線對地分布電容、電機(jī)繞組和電機(jī)機(jī)殼之間的寄生電容以及伺服單元對機(jī)殼的寄生電容并聯(lián)后的等效電容。由于電容的高頻的特性，驅(qū)動單元系統(tǒng)漏電流中的高頻成分較多，在機(jī)床加工中通過地線的高頻漏電流很大，容易導(dǎo)致漏保開關(guān)動作[9]。

圖4 伺服單元和電機(jī)系統(tǒng)

3 引入EMI抑制驗(yàn)證

在搭建的如圖2所示的方案a和方案b兩種測試平臺中，增加伺服系統(tǒng)驅(qū)動和電機(jī)單元的功率，復(fù)現(xiàn)伺服系統(tǒng)在使能時(shí)外置漏保開關(guān)跳閘和數(shù)控系統(tǒng)在運(yùn)行中數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，以提高輸入脈沖群等級，達(dá)到最終解決問題的目的。

3.1 驗(yàn)證結(jié)果

測試設(shè)備主要包括泰克MSO-3050示波器、Tektronix A622電流探頭、HIKOI-3283日置泄漏電流鉗型表以及CHNTNXBLE-63漏保開關(guān)。

3.1.1 方案a測試

在圖2平臺中進(jìn)行方案a測試，使能X、Y、Z軸后，每間隔3 min中斷一次使能S主軸伺服單元，用示波器探頭分別測試漏保外置電流檢測板和地線回路漏電流的波形。在1 h的測試中，在主軸使能的時(shí)刻會出現(xiàn)漏電保護(hù)空氣開關(guān)跳閘現(xiàn)象。在圖5中引入脈沖群干擾等級，在經(jīng)過10次的±（2 500～4 500 V）的脈沖群測試中，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包8次。圖5為使能X、Y、Z及S主軸在漏保開關(guān)未跳閘測試的波形，測試中已完全復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場機(jī)床的工作異常的現(xiàn)象。

圖5 脈沖群測試

3.1.2 方案b測試

采用圖2平臺中的方案b進(jìn)行測試，在三相動力線的輸入端增加共模抑制器，反復(fù)使能伺服驅(qū)動單元，同時(shí)用示波器檢測漏保外置線圈電壓和地線回路感應(yīng)電壓。經(jīng)過一周的老化測試，配電柜漏保開關(guān)正常工作無跳閘現(xiàn)象，伺服單元和系統(tǒng)運(yùn)行正常運(yùn)行。圖7為使能X、Y、Z及S主軸波形。

3.2 驗(yàn)證分析

從圖8中兩種方案的對比測試可以看出，在方案b中插入共模抑制，當(dāng)伺服系統(tǒng)工作在PWM模式下，作用在U、V以及W相的電壓通過電機(jī)所產(chǎn)生的du/dt和di/dt較大，噪聲反射到共模抑制器的副邊繞組，通過副邊繞組消耗吸收電路中的斜波電壓尖峰，能夠很好地抑制高頻漏電流。從圖6和圖7也可以看出，加共模抑制器后，整個(gè)波形的峰-峰值下降明顯。由于在方案b中高頻斜坡電壓尖峰得到了很好的抑制，在引入脈沖群干擾測試中，系統(tǒng)在10次的±4 500 V脈沖群實(shí)驗(yàn)測試中無數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。

圖6 漏保開關(guān)未跳閘測試的波形

圖7 使能X、Y、Z及S主軸波形

圖8 兩種方案的對比測試

3.3 應(yīng)用案例

通過以上測試，將方案b的共模抑制器應(yīng)用在某機(jī)床廠加工中心車間，經(jīng)過半年的加工應(yīng)用沒有發(fā)現(xiàn)漏保開關(guān)跳閘現(xiàn)象，加工狀態(tài)運(yùn)行良好也無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。方案b的共模抑制器應(yīng)用如圖9所示。

圖9 方案b的共模抑制器應(yīng)用圖

3.4 總 結(jié)

首先，在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中，在可能的情況下應(yīng)按布線最短的原則合理布線，并做好動力線的屏蔽接地。其次，采用多軸一體的伺服系統(tǒng)，在軟件上作出相應(yīng)的抑制EMI算法，使EMI共模電壓能相互抵消的同時(shí)達(dá)到消除高頻漏電的目的。最后，在數(shù)控機(jī)床的輸入端采用合理的EMI共模抑制，可以有效降低30%左右的高頻漏電流。

4 結(jié) 論

基于理論分析和實(shí)驗(yàn)波形，在數(shù)控機(jī)床加工中引入EMI共模抑制可以有效解決機(jī)床運(yùn)行中數(shù)據(jù)丟包問題，且降低了EMI諧波干擾，一定程度下能減小高頻漏電流，保證漏電保護(hù)器件正常工作，提高了整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。