交流伺服系統的電磁兼容設計

賈海鵬++葉雷

摘 要 近年來，交流伺服系統因為其有著控制簡單、精度高、可靠性好的特點，得到了長足的發展。在相當多的領域得到越來越多的應用。但是，交流伺服系統本身固有的一些缺點，比如電磁兼容性差的問題也越來越多的成為交流伺服系統發展的阻礙。因此，如何解決這一問題，必需得到重視。本文簡單介紹在交流伺服系統中如何便捷而有效的解決電磁兼容問題，提高交流伺服系統的電磁兼容性能力，從而使得交流伺服系統在越來越復雜的電磁環境中提高抗干擾能力，更加可靠的工作。

【關鍵詞】交流伺服系統 電磁兼容性

1 前言

電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的其他設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。EMC包括兩個方面的內容：一方面是設備扎起正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環境中的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

電磁兼容設計著眼于解決系統中的電磁泄露，因此，有針對性的對系統中的電磁泄露電磁輻射進行分類總結，才可以對癥下藥，找到相應的方法一一對應的去解決，同時，電磁兼容設計是一個系統工程，各種電磁輻射和電磁泄露有著不可分割的聯系，所以，必要時要采取多種方法共同進行。

電磁干擾是指任何使設備或系統性能降低的電磁現象。電磁干擾一般分為內部干擾和外部干擾。內部干擾是指電子設備內部各元器件之間的相互干擾，包括：

（1）工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產生漏電造成的干擾。

（2）信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合，或導線之間的互感造成的干擾；

（3）設備或者系統內部某些元器件發熱，影響元器件本身或者其他元器件的穩定性造成的干擾；

（4）大功率和高電壓部件產生的磁場、電場通過耦合影響其他部件造成的干擾。

外部干擾包括：

（1）外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設備或系統；

（2）外部大功率的設備在空間產生很強的磁場，通過互感耦合干擾電子線路、設備或系統；

（3）空間電磁波對電子線路或系統產生的干擾；

（4）工作環境溫度不穩定，引起電子線路、設備或系統內部元器件參數改變造成的干擾；

（5）由工業電網電網供電的設備和由電網電壓通過電源變壓器所產生的干擾。

2 交流伺服系統

交流伺服系統一般的構成包括輸入電源、繼電器、電源模塊（AC/DC）、電源濾波器、交流伺服驅動電路等。其中，控制電路通過串行通訊的方式控制繼電器的動作，以此來控制交流伺服系統的梯次逐級加電，交流伺服驅動器與上位機通過串口進行工作。交流伺服系統采用三相交流380V動力電源和直流24V控制電源，采用交-直-交變換的方式實現系統目標。

交流伺服系統中常見的原理框圖如圖1所示：

交流伺服驅動系統主要的內部電磁干擾是信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合，以及導線之間的互感造成的干擾；主要的外部干擾為外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾系統，以及由工業電網電網供電的設備和由電網電壓通過電源變壓器所產生的干擾。因此，有針對系統的電磁兼容性設計實施以下措施。

2.1 電源的電磁兼容設計

本交流伺服系統所需要的動力電源為交流三相380V電源，常用的交流伺服系統采用交流-直流-交流（交-直-交）變換的方式實現伺服控制功能，實際使用A、B、C三相交流電源進行工作。現實使用環境中一般采用三相四線制的供電電源，為了避免在地線端引入各種干擾，造成系統不穩定以及形成電磁干擾，系統不必將N相接入，只需要A、B、C三相電源即可。

采用前級EMI交流濾波器對輸入的三相交流電源進行濾波，以消除電源系統本身帶來的干擾，并且抑制反向的線間干擾，這樣可以盡可能的隔離輸入電源和后級的交流伺服系統之間的互相干擾。

本系統中存在AC/DC電源模塊用于對交流伺服驅動器進行供電，眾所周知，電源模塊由于體積的限制，其輸入級只有簡單的濾波電路，可以滿足一般的電磁環境，但是對于相對復雜的電磁環境，電源模塊本身的電容濾波已經不能滿足的系統的需求。因此，必須采用進一步的措施來提高電源模塊的電磁兼容性能力。

開關電源的電磁兼容EMC包括電磁干擾（EMI）和電磁耐受性（EMS）。電磁干擾包括傳導和輻射兩種方式。傳導對于開關電源來講主要是輸入端的電磁傳導騷擾。我國國家標準GB9254規定傳導頻段為150k～30MHz，分為A級、B級兩種極限。國軍標有關電磁兼容的標準為GJB151A，該標準對傳導那個分類，涉及電源端子項目一般為CE102，其頻段一般為10k～10MHz。一般可以采用再進行處理：

（1）EMI磁環，用于將高頻成分轉換為熱能；

（2）濾波器，采用雙節、插入損耗高的產品；

（3）X電容和Y電容，分別用于抑制差模干擾和共模干擾；

（4）共模電感，用于抑制共模干擾。

輻射是指元器件本身或者通過相連接的導線向空間輻射的電磁干擾。GB9254規定輻射頻段為150k～30MHz。GJB151A對輻射有很多分類，其中有的項目上限最高達40GHz。必須指出傳導和輻射會相互作用。會因傳導引起輻射，與開關電源相連的輸出線、控制線等會起到輻射天線的作用，因此完善的屏蔽措施加上對各端子的連線進行濾波可有效的抑制輻射騷擾。一般采用電容和濾波器的方式進行濾波，輔之以屏蔽方式處理這類電磁輻射。另外，外殼必須良好接地。

電磁耐受性（EMS）是指設備或系統面臨電磁干擾不降低運行能力的能力。相關標準為GB17626.1-12，主要包括電、靜電和電磁四類。一般采用壓敏電阻、瞬間抑制二極管和氣體放電管來提高系統的電磁耐受性。氣體放電管（TVS）動作速度很快，達到PS級（10-12），但其通流量不大，應將其放在后級。壓敏電阻的通流量可以做的很大，但速度較慢，只有μs級（10-6）。為了能讓高能量的浪涌電流盡量作用在壓敏電阻和氣體放電管上，在壓敏電阻和氣體放電管之間可以增加一級電感，用電感阻擋一些時間，使高能量的浪涌電壓盡量從壓敏電阻和氣體放電管端進行泄放。氣體放電管是一種負阻元器件，一旦導通只有幾十伏的壓降，故應該與壓敏電阻配合使用。二級間的電感與EMC輸入級的電感共用。endprint

壓敏器件的動作電壓按照公式（1）進行計算。其中Vin為熟土電壓，Vz為動作電壓。

Vz=Vin（1+20%）×1.4 公式（1）

2.2 控制電路中的電磁兼容設計

控制電路（弱電）為24V直流電源供電，必須堅決的與強電隔離。同樣采用EMI直流濾波器對輸入的電源進行隔離和濾波。消除早期干擾，形成干凈的初始電磁環境。

系統中的地根據用途分類可以分為信號地、屏蔽地、保護地。

信號地GND：供給控制信號的基準電平（0v）

屏蔽地SG：是為了運行可靠，抵抗外部干擾而提供的將內部和外部噪音隔離的屏蔽層，各組件的機殼、金屬外罩、安裝板，以及電纜的屏蔽層連接在一起。

系統地PE：是將各設備機殼與大地相連，以保證有漏電發生時，可以保證人員安全，同時也確保干擾噪音流入大地。

印制板的設計中要注意以下幾個方面的內容：1）電路中的電磁環路應保持最??；2）信號線與回線應盡可能的接近；3）使用較大平面以減小阻抗；4）電源線和地線應相互靠近，必要時采用大面積覆銅的方法；5）可以采用多層板的設計中，電源層和地線層單獨進行布線。

在系統內部的互聯中，注意采用電磁屏蔽線進行連接。在輸入端和輸出端使用大面積基地方式處理屏蔽導線，保證良好的接地。在系統的外殼的設計中考慮電磁兼容問題，使用屏蔽網和銅箔使機箱與空間進行必要的電磁隔離。連接電纜采用雙層屏蔽，盡量減少導線和電纜的長度，以減少電磁泄露。

同時，交流輸入電源必須與控制電路（弱電）分開走線，避免互相產生耦合，形成干擾。同時注意信號和電流的方向，使同方向的信號靠近，導線可以90度交叉，但應當避免平行走線，避免環形走線，以便減少耦合。

3 結束語

現代電子技術的發展帶來了交流伺服驅動系統的飛速發展，愈發復雜的電磁環境對電子設備提出了更加嚴格的高標準要求。本文試圖從交流伺服系統本身的電磁干擾入手，提出電磁兼容設計的一些想法和思路，從而對解決類似的電磁兼容問題起到一定的作用。當然，具體問題具體分析，實際應用中各種電磁環境紛繁復雜不能一概而論，還應因地制宜，有針對性的分析解決。

參考文獻

[1]俞文英.電子設備電磁干擾及電磁兼容設計[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報，2005.

[2]張志華.EMI專用元器件的選擇和使用[J].安全與電磁兼容，2006.

[3]郝，翁存海.電力電子設備的電磁干擾對策[J].船電技術，2011.

作者單位

陜西黃河集團有限公司設計研究所 陜西省西安市 710043endprint

壓敏器件的動作電壓按照公式（1）進行計算。其中Vin為熟土電壓，Vz為動作電壓。

Vz=Vin（1+20%）×1.4 公式（1）

2.2 控制電路中的電磁兼容設計

控制電路（弱電）為24V直流電源供電，必須堅決的與強電隔離。同樣采用EMI直流濾波器對輸入的電源進行隔離和濾波。消除早期干擾，形成干凈的初始電磁環境。

系統中的地根據用途分類可以分為信號地、屏蔽地、保護地。

信號地GND：供給控制信號的基準電平（0v）

屏蔽地SG：是為了運行可靠，抵抗外部干擾而提供的將內部和外部噪音隔離的屏蔽層，各組件的機殼、金屬外罩、安裝板，以及電纜的屏蔽層連接在一起。

系統地PE：是將各設備機殼與大地相連，以保證有漏電發生時，可以保證人員安全，同時也確保干擾噪音流入大地。

印制板的設計中要注意以下幾個方面的內容：1）電路中的電磁環路應保持最??；2）信號線與回線應盡可能的接近；3）使用較大平面以減小阻抗；4）電源線和地線應相互靠近，必要時采用大面積覆銅的方法；5）可以采用多層板的設計中，電源層和地線層單獨進行布線。

在系統內部的互聯中，注意采用電磁屏蔽線進行連接。在輸入端和輸出端使用大面積基地方式處理屏蔽導線，保證良好的接地。在系統的外殼的設計中考慮電磁兼容問題，使用屏蔽網和銅箔使機箱與空間進行必要的電磁隔離。連接電纜采用雙層屏蔽，盡量減少導線和電纜的長度，以減少電磁泄露。

同時，交流輸入電源必須與控制電路（弱電）分開走線，避免互相產生耦合，形成干擾。同時注意信號和電流的方向，使同方向的信號靠近，導線可以90度交叉，但應當避免平行走線，避免環形走線，以便減少耦合。

3 結束語

現代電子技術的發展帶來了交流伺服驅動系統的飛速發展，愈發復雜的電磁環境對電子設備提出了更加嚴格的高標準要求。本文試圖從交流伺服系統本身的電磁干擾入手，提出電磁兼容設計的一些想法和思路，從而對解決類似的電磁兼容問題起到一定的作用。當然，具體問題具體分析，實際應用中各種電磁環境紛繁復雜不能一概而論，還應因地制宜，有針對性的分析解決。

參考文獻

[1]俞文英.電子設備電磁干擾及電磁兼容設計[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報，2005.

[2]張志華.EMI專用元器件的選擇和使用[J].安全與電磁兼容，2006.

[3]郝，翁存海.電力電子設備的電磁干擾對策[J].船電技術，2011.

作者單位

陜西黃河集團有限公司設計研究所 陜西省西安市 710043endprint

壓敏器件的動作電壓按照公式（1）進行計算。其中Vin為熟土電壓，Vz為動作電壓。

Vz=Vin（1+20%）×1.4 公式（1）

2.2 控制電路中的電磁兼容設計

控制電路（弱電）為24V直流電源供電，必須堅決的與強電隔離。同樣采用EMI直流濾波器對輸入的電源進行隔離和濾波。消除早期干擾，形成干凈的初始電磁環境。

系統中的地根據用途分類可以分為信號地、屏蔽地、保護地。

信號地GND：供給控制信號的基準電平（0v）

屏蔽地SG：是為了運行可靠，抵抗外部干擾而提供的將內部和外部噪音隔離的屏蔽層，各組件的機殼、金屬外罩、安裝板，以及電纜的屏蔽層連接在一起。

系統地PE：是將各設備機殼與大地相連，以保證有漏電發生時，可以保證人員安全，同時也確保干擾噪音流入大地。

印制板的設計中要注意以下幾個方面的內容：1）電路中的電磁環路應保持最?。?）信號線與回線應盡可能的接近；3）使用較大平面以減小阻抗；4）電源線和地線應相互靠近，必要時采用大面積覆銅的方法；5）可以采用多層板的設計中，電源層和地線層單獨進行布線。

在系統內部的互聯中，注意采用電磁屏蔽線進行連接。在輸入端和輸出端使用大面積基地方式處理屏蔽導線，保證良好的接地。在系統的外殼的設計中考慮電磁兼容問題，使用屏蔽網和銅箔使機箱與空間進行必要的電磁隔離。連接電纜采用雙層屏蔽，盡量減少導線和電纜的長度，以減少電磁泄露。

同時，交流輸入電源必須與控制電路（弱電）分開走線，避免互相產生耦合，形成干擾。同時注意信號和電流的方向，使同方向的信號靠近，導線可以90度交叉，但應當避免平行走線，避免環形走線，以便減少耦合。

3 結束語

現代電子技術的發展帶來了交流伺服驅動系統的飛速發展，愈發復雜的電磁環境對電子設備提出了更加嚴格的高標準要求。本文試圖從交流伺服系統本身的電磁干擾入手，提出電磁兼容設計的一些想法和思路，從而對解決類似的電磁兼容問題起到一定的作用。當然，具體問題具體分析，實際應用中各種電磁環境紛繁復雜不能一概而論，還應因地制宜，有針對性的分析解決。

參考文獻

[1]俞文英.電子設備電磁干擾及電磁兼容設計[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報，2005.

[2]張志華.EMI專用元器件的選擇和使用[J].安全與電磁兼容，2006.

[3]郝，翁存海.電力電子設備的電磁干擾對策[J].船電技術，2011.

作者單位

陜西黃河集團有限公司設計研究所 陜西省西安市 710043endprint