張 霞

(成都師范學(xué)院，成都611130)

1 伺服傳動系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計概述

電磁兼容作為一門學(xué)科，以電磁場、電磁波理論、電路理論和信號分析為基礎(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)的電磁兼容問題較為突出，這成為制約伺服傳動系統(tǒng)正常運行的因素［1］。

本文涉及的伺服傳動系統(tǒng)具有大功率、大負(fù)載和頻繁高速起動的特點，該系統(tǒng)除工作在原有電磁場環(huán)境的同時，自身運行時也會產(chǎn)生電磁干擾。伺服系統(tǒng)在正常運行時需不影響原設(shè)計的控制意圖，同時系統(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，不致對周圍的電磁場環(huán)境造成嚴(yán)重污染和影響控制信號傳輸及各頻段電磁波信號的接收和發(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)研制過程中，某型伺服傳動系統(tǒng)因產(chǎn)生大量電磁干擾導(dǎo)致無法正常工作的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并對屏蔽外部電磁干擾的措施進(jìn)行了論述。

2 伺服傳動系統(tǒng)電磁干擾問題分析

伺服傳動系統(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、精密機(jī)構(gòu)運動學(xué)和動力學(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)試的某型伺服傳動系統(tǒng)出現(xiàn)的電磁干擾為例，對干擾現(xiàn)象及抗干擾策略進(jìn)行了分析。

2.1 伺服傳動系統(tǒng)的組成

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

伺服傳動系統(tǒng)如圖1 所示，傳動系統(tǒng)主要包括方位和俯仰傳動裝置兩部分，依次帶動方位減速器、方位小齒輪、盤式軸承，從而帶動轉(zhuǎn)盤及俯仰部分作方位轉(zhuǎn)動;俯仰電機(jī)帶動俯仰減速器及其軸上的天線作俯仰轉(zhuǎn)動。由于方位和俯仰都是在有限范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，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)。編碼器通過兩級傳動檢測方位軸的運動情況。俯仰碼盤直接裝于俯仰軸上，與俯仰軸同步運動。

伺服控制分機(jī)接收主控系統(tǒng)的命令，實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的運動控制，并實時上報分機(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)接收編碼器計數(shù)信息，經(jīng)過運算處理得到誤差信號，將它換算成控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬電壓信號，驅(qū)動器根據(jù)電壓信號的大小計算出PWM 驅(qū)動電壓的占空比，輸出驅(qū)動電壓到電機(jī)繞組，完成對電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，達(dá)到控制傳動座的目的。

2.2 伺服傳動系統(tǒng)干擾現(xiàn)象分析

電磁干擾問題是工程項目中較為棘手復(fù)雜的問題之一，不確定性因素很多。對某伺服傳動系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)過程中，出現(xiàn)如下兩種不正?，F(xiàn)象:通過主控系統(tǒng)發(fā)送命令，轉(zhuǎn)臺無法正常轉(zhuǎn)動;發(fā)送主控命令后，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動較小的角度后停止，并出現(xiàn)編碼器報警現(xiàn)象。本文采用實驗對比法，伺服電動機(jī)處于制動狀態(tài)下，通過電機(jī)驅(qū)動器控制軟件對電機(jī)轉(zhuǎn)臺進(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，淺色線代表正弦信號，較深線代表余弦信號。由圖可知信號的幅度信息產(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(對應(yīng)電壓0.05 V)，傳感器模塊無法計算電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，伺服傳動系統(tǒng)存在嚴(yán)重的電磁干擾問題，造成該設(shè)備無法正常運行。

3 電磁干擾問題抑制策略

電磁干擾的產(chǎn)生無法避免，但在設(shè)計及調(diào)試過程中可通過采取相關(guān)技術(shù)措施對電磁干擾進(jìn)行抑制，以達(dá)到消除或減小對伺服傳動系統(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。本伺服傳動系統(tǒng)中關(guān)鍵的電源信號和控制信號多采用防波套、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，可對高頻干擾信號形成低阻通路，抑制高頻干擾產(chǎn)生。根據(jù)實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)下運行，為了保證具有良好的濾波特性，通常通過抑制噪聲源能量，切斷耦合的途徑，提高電磁干擾能力。

3.2 伺服傳動系統(tǒng)干擾抑制

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

通過上述對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的輻射干擾的簡要分析，排除了傳動系統(tǒng)的接大地問題以及關(guān)鍵信號線和電源線的屏蔽問題，并最終確定編碼器輸出的差分信號(正弦/余弦信號)電磁干擾非常大是因為該插座的內(nèi)部信號地引腳接地存在問題，將該引腳與防波套端接后，差分信號幅度差值非常小(約500/10 mV)，圖6 為電機(jī)不工作時靜態(tài)正弦電壓信號(1 V峰值)，正弦電壓信號的幅值強(qiáng)度可以作為反饋，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。表明外圍干擾不足影響轉(zhuǎn)臺正常運轉(zhuǎn)。經(jīng)試驗驗證，在主控命令控制下，轉(zhuǎn)臺可正常運轉(zhuǎn)，電磁干擾得到了抑制。

3.3 電磁干擾抑制效果的驗證

通過實驗對比法查找出電磁干擾現(xiàn)象存在問題并采取措施后，伺服系統(tǒng)可正常工作，圖7 為電機(jī)在動態(tài)(低速運轉(zhuǎn))下，電機(jī)驅(qū)動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別的電壓為0. 5 V(對應(yīng)編碼器輸出值為25 000)，圖中采集波形幅值約為0.4 V(對編碼器輸出值為20 000)，滿足傳感器模塊能夠識別的邊界值，說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

本文通過對調(diào)試過程中伺服傳動系統(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，主要包括對驅(qū)動電纜的屏蔽層接地方式的改善以及加強(qiáng)對機(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)處于制動狀態(tài))和動態(tài)(正常運行)下對伺服反饋系統(tǒng)的測量參數(shù)進(jìn)行的分析，并通過對轉(zhuǎn)臺干擾抑制的實際效果，驗證該伺服傳動系統(tǒng)干擾抑制策略的有效性。

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