位控系統電磁干擾問題的分析與解決措施

吳紅梅,王 東,辛 勇,雷士遠

(1.中國南方航空股份有限公司沈陽維修基地，遼寧 沈陽 110169;2.中國航發沈陽發動機研究所,遼寧 沈陽 110015)

0 引言

隨著脈沖功率設備功率的不斷增大，電氣設備所處的電磁環境日益惡化[1]，區域化電磁環境變得異常復雜，電磁干擾到處存在，各設備之間的相互影響越來越明顯[2]。目前系統的電磁干擾有外部和內部干擾兩個方面[3]。形成干擾必須具備的三要素是干擾源、耦合路徑、敏感器[4]，而傳感器和霍爾元件是敏感器件，它是位置伺服系統中的組成部分。位置伺服系統也稱隨動系統，伺服電機的性能直接影響著整個系統的性能[5]。穩定性、穩態精度以及動態響應能力等指標被作為評定伺服系統性能好壞的標準[6]。隨著科學技術的發展，交流伺服驅動器采用了脈寬調制(PWM)技術比相位控制更為普遍，但主電路使用的“高速開關元件”對外界的干擾十分強烈，配線和接地處理不當，有可能對外部配線帶來電磁干擾，反而造成自身的錯誤動作。本系統選的Σ-V系列AC伺服單元，因為是產業用設備的緣故，所以沒有考慮抗干擾對策[7]，在選擇伺服單元時忽略了這一點，在設備調試過程中，導致系統不穩定，在排除系統的電磁干擾過程中，又出現其它干擾，影響了系統的正常功能。本文通過對測控設備調試過程出現的故障現象及排除方法做了簡單的梳理和總結。

1 測控設備

風洞是進行空氣動力學研究與飛行器研制的最基本的試驗設備[8]。探針測控系統是平面葉柵試驗器重要的測量裝置之一[9]，而伺服驅動器單元是探針測控系統的驅動裝置。其主要作用是控制探針的自動、連續、精確地跟蹤氣流的變化，在經過PLC控制下可實現本地、就地、遠程和氣流的自動跟蹤控制。該系統由探針、壓力變送器、伺服電機、伺服驅動器、通訊模塊、外圍電器元件、PLC可編程控制器和一臺工控機組成。為實現對位移機構智能化控制和良好的人機界面，上位機采用工控機進行遠程控制。上位機的主要作用是完成與PLC(可編程控制器)的指令和數據交換，并接受上位機指令后對柵前位移機構進行控制，拖動柵前探針完成自動跟蹤氣流并輸出角位移量，完成平面葉柵測量采集工作。位移機構控制框圖見圖1。

圖1 位移機構控制框圖[10]

2 故障現象及產生干擾的來源

2.1 伺服驅動器控制原理

伺服系統的主要任務是控制被控對象的輸出自動、連續、精確地跟蹤輸入信號的變化。將執行元件輸出功率大于500 W以上的伺服系統稱為大功率伺服系統[11]。本系統伺服驅動器是位移機構的執行元件，其中X軸伺服驅動器電機輸出功率750 W，其伺服驅動器原理見圖2。

圖2 伺服驅動器控制框圖

2.2 伺服驅動器控制方式

伺服驅動器控制方式是位置控制模式(見圖3)，通過脈沖序列位置指令來控制機械的位置，通過PLC輸出的脈沖數來控制位置，以輸入脈沖的頻率來控制速度。

圖3 伺服驅動器位控模式

2.3 故障現象

柵前位移控制系統進入安裝調試后，在多套葉柵試驗中使用，在使用過程中X軸和M軸同步工作，或Y軸和M軸工作系統非常穩定。但X軸和Y軸同步工作時，X軸伺服電機未發位控指令時偶出現自轉現象。因為交流伺服系統的最大特點是在有控制信號輸入時，伺服電機就轉動；沒有控制信號輸入時，伺服電機就停止，所以摘掉PLC中X軸輸出指令脈沖序列接線端子，故障現象依舊存在，且當X軸發生誤動作后限位不起任何作用。當Y軸伺服驅動器關閉后，X軸故障現象消除，表明系統內部伺服驅動器之間有干擾信號發生，干擾信號作用X軸控制繞組，且達到了足以讓伺服電機產生自轉現象干擾輸出電壓，導致系統出現明顯的干擾問題。

2.4 干擾的來源

干擾現象經常會在使用現場中發生，由于電磁場、漏電流、接地的處理和其它因素的影響，在伺服驅動器的輸入輸出端會出現一個附加的信號，而這個信號并不是我們所需要的工作信號，它的出現對伺服驅動器的正常工作起到干擾作用。從圖2原理圖分析，Σ-V系列AC伺服驅動器采用了脈寬調制技術和IGBT等功率開關器件、接觸器和制動線圈等裝置。其中絕緣柵雙級晶體管構成的電壓型逆變電路采用的是PWM控制技術，當工作于開關模式且作高速切換時，因電流劇烈變化產生順變的脈沖且產生大量耦合性噪聲，因此此類型驅動器對系統內其它的電子、電氣設備來說是一個電磁干擾源。PWM功率轉換電路在開關元件切換過程中，大脈沖電流引起電磁干擾，會從伺服單元的主回路通過伺服電機的寄生電容流出，變化的電流回路與地回路構成環路產生磁場耦合，干擾了伺服驅動器輸入輸出端子，且主回路輸出產生的交變電磁場漏電流產生的干擾信號，附加在控制繞組的干擾信號足以使伺服電機自轉，且相位(或極性)的不同會使伺服電機向不同方向轉動。另外接觸器和制動線圈在關斷過程中也會產生浪涌電流，處理不當也會對其它敏感部件產生干擾。上述干擾源分析和故障現象排除過程中，通過PLC對監控的數據點監控，系統干擾主要來源判斷是伺服電機的寄生電容流出漏電流，通過輻射和傳導干擾，利用地線作為一條輸電線，產生地電流的干擾，由于地電流的出現，在大地中的各個不同點上存在電位差，當這個電位差達到一定量值時，會使伺服裝置產生誤判現象，影響系統正常工作。經過查閱手冊說明書，該類型伺服驅動器由于為工業設備，因此未采取無線電干擾措施[12]，設計疏忽未考慮到電磁的兼容性，導致系統存在缺陷和安全隱患。

3 干擾問題的解決措施

3.1 解決端間干擾的措施

電路和電磁感應耦合是輸入端干擾的主要來源，在減小端間干擾的措施方面，采取了信號線繞開驅動器遠離干擾源，把信號線相互絞和，消除靜電感應產生的電壓干擾，將脈沖序列信號線調整為屏蔽線，保證信號線和屏蔽線等電位，以減小交變電磁場的影響，減小電流的干擾，調試后干擾信號明顯衰減，電機誤動作現象明顯減弱，但X軸仍有微動現象，再重新調整了Y軸驅動器的安裝位置，盡量調整信號輸入和輸出配線分開，經調試后Y軸驅動器上電后，X軸電機誤動作現象解除，但又出現原Y軸正常的工作狀態變為給定步長啟動偶爾停不下來或給定距離指令與實際到位偶然出現偏差，回原點不起動等現象。

3.2 解決對地干擾的措施

對地的干擾是指干擾電壓出現信號輸入端(正端或負端)對地之間的交流信號。在解決電機誤動作過程中新出現的給定步長啟動偶爾停不下來，回原點不起動等現象，表明在PLC (可編程控制器)和伺服單元輸入輸出信號出現噪音和高次諧波，干擾了PLC(可編程控制器)外接霍爾元件的正常工作，這種干擾主要來自對地干擾,一條途徑是開關干擾電流會從伺服單元的主回路通過伺服電機的寄生電容流出引起的，通過傳導影響到伺服驅動器信號輸入輸出端，致伺服驅動器到位信號出現異常，導致回原點不起動；另一條途徑是地電流的干擾，由于伺服驅動器使用了高速開關元件，受到開關元件噪音的影響，且X軸伺服電機功率略大(0.75 kW)，對系統其它部件干擾性較強，在未選屏蔽電纜且地線處理不當情況下，對周圍的電子、電氣部件產生電磁輻射，交變電磁場的干擾信號干擾了PLC外接的敏感元件及Y軸伺服單元的正常工作，導致給定距離指令與實際到位偶然出現偏差。為解決新出現的電磁干擾(EMI)現象，采取了X軸伺服電機動力線更換了屏蔽電纜，伺服電機框架端子(FG)和伺服單元的接地端子相連，屏蔽線接地，接地端子接地等措施。Y軸給定步長啟動偶爾停不下來和回原點不起動等干擾現象解除。

3.3 解決直流干擾的措施

除了上述的交流干擾, 同樣，系統內部的強電元件，如電磁制動線圈、續電器和電機等感性負載，在通斷過程中產生的瞬時過電壓和沖擊電流，不僅會影響伺服驅動單元，還會通過直流電源對電子線路造成干擾，盡管PLC信號輸入端采用光耦合電路提高了抗干擾性，但對于存在的電磁干擾，通過分布電容的耦合通道，影響到敏感的接收單元-霍爾元件，使得接收單元-霍爾元件輸出明顯異常，也會影響到PLC控制系統，導致PLC回原點啟動不正常。為了抑制干擾源，提高線路的抗干擾能力，選擇動力屏蔽電纜，信號輸入端采用單點接地，同時采取了對伺服驅動單元和線進行了合理布局，以彌補接地、屏蔽和濾波的不足，通過這些措施的改進，使PLC系統回原點工作正常，提高了系統的穩定性。

3.4 提高系統干擾的穩定性措施

通過接地、隔離抑制電磁干擾對系統的耦合通道作用，提高系統電磁兼容性的性能，雖然解決了電磁干擾系統存在的伺服電機自傳現象，但在排查過程中出現部件、PLC和伺服單元相互的干擾現象，盡管電磁干擾信號有明顯衰減，但這種電磁干擾并沒有徹底消除，隱藏的干擾會直接影響系統的可靠性、穩定性和品質指標。為了消除電磁干擾源，可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法，抑制干擾信號從伺服驅動器通過電源線傳導干擾到系統。由于線路中有敏感電子部件，為增加系統的穩定性和可靠性和品質指標，如圖4所示，在信號輸入端設置噪聲濾波器以免傳導干擾；在主回路增加噪音濾波器，以避免噪音對伺服單元造成不良影響；在控制回路，增加隔離變壓器，使一次側和二次側的電氣完全絕緣，隔斷干擾的傳導通道；在直流電源前增加噪聲濾波器，對設備產生較強的輻射干擾有抑制作用；對主要電纜采用屏蔽，施行單點接地方式等，這些措施是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道，提高系統抗干擾的有效方法。

圖4 增加濾波隔離裝置位置圖

4 結論

隨著電力系統的發展，由頻率高、電流大的設備組成的系統的電磁兼容性顯得非常重要，通過接地、屏蔽、濾波、隔離和調整布線等有效方式，對通過輻射、傳到和公共阻抗作用在輸入輸出端干擾信號進行衰減，以提高系統的抗干擾能力，才能保證系統的正常工作和消除安全隱患。