交流伺服系统的电磁兼容设计

2014-11-19贾海鹏叶雷

电子技术与软件工程 2014年20期

贾海鹏++叶雷

摘要近年来，交流伺服系统因为其有着控制简单、精度高、可靠性好的特点，得到了长足的发展。在相当多的领域得到越来越多的应用。但是，交流伺服系统本身固有的一些缺点，比如电磁兼容性差的问题也越来越多的成为交流伺服系统发展的阻碍。因此，如何解决这一问题，必需得到重视。本文简单介绍在交流伺服系统中如何便捷而有效的解决电磁兼容问题，提高交流伺服系统的电磁兼容性能力，从而使得交流伺服系统在越来越复杂的电磁环境中提高抗干扰能力，更加可靠的工作。

【关键词】交流伺服系统电磁兼容性

1 前言

电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的其他设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC包括两个方面的内容：一方面是设备扎起正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

电磁兼容设计着眼于解决系统中的电磁泄露，因此，有针对性的对系统中的电磁泄露电磁辐射进行分类总结，才可以对症下药，找到相应的方法一一对应的去解决，同时，电磁兼容设计是一个系统工程，各种电磁辐射和电磁泄露有着不可分割的联系，所以，必要时要采取多种方法共同进行。

电磁干扰是指任何使设备或系统性能降低的电磁现象。电磁干扰一般分为内部干扰和外部干扰。内部干扰是指电子设备内部各元器件之间的相互干扰，包括：

（1）工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰。

（2）信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰；

（3）设备或者系统内部某些元器件发热，影响元器件本身或者其他元器件的稳定性造成的干扰；

（4）大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其他部件造成的干扰。

外部干扰包括：

（1）外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统；

（2）外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统；

（3）空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰；

（4）工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰；

（5）由工业电网电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

2 交流伺服系统

交流伺服系统一般的构成包括输入电源、继电器、电源模块（AC/DC）、电源滤波器、交流伺服驱动电路等。其中，控制电路通过串行通讯的方式控制继电器的动作，以此来控制交流伺服系统的梯次逐级加电，交流伺服驱动器与上位机通过串口进行工作。交流伺服系统采用三相交流380V动力电源和直流24V控制电源，采用交-直-交变换的方式实现系统目标。

交流伺服系统中常见的原理框图如图1所示：

交流伺服驱动系统主要的内部电磁干扰是信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，以及导线之间的互感造成的干扰；主要的外部干扰为外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰系统，以及由工业电网电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。因此，有针对系统的电磁兼容性设计实施以下措施。

2.1 电源的电磁兼容设计

本交流伺服系统所需要的动力电源为交流三相380V电源，常用的交流伺服系统采用交流-直流-交流（交-直-交）变换的方式实现伺服控制功能，实际使用A、B、C三相交流电源进行工作。现实使用环境中一般采用三相四线制的供电电源，为了避免在地线端引入各种干扰，造成系统不稳定以及形成电磁干扰，系统不必将N相接入，只需要A、B、C三相电源即可。

采用前级EMI交流滤波器对输入的三相交流电源进行滤波，以消除电源系统本身带来的干扰，并且抑制反向的线间干扰，这样可以尽可能的隔离输入电源和后级的交流伺服系统之间的互相干扰。

本系统中存在AC/DC电源模块用于对交流伺服驱动器进行供电，众所周知，电源模块由于体积的限制，其输入级只有简单的滤波电路，可以满足一般的电磁环境，但是对于相对复杂的电磁环境，电源模块本身的电容滤波已经不能满足的系统的需求。因此，必须采用进一步的措施来提高电源模块的电磁兼容性能力。

开关电源的电磁兼容EMC包括电磁干扰（EMI）和电磁耐受性（EMS）。电磁干扰包括传导和辐射两种方式。传导对于开关电源来讲主要是输入端的电磁传导骚扰。我国国家标准GB9254规定传导频段为150k～30MHz，分为A级、B级两种极限。国军标有关电磁兼容的标准为GJB151A，该标准对传导那个分类，涉及电源端子项目一般为CE102，其频段一般为10k～10MHz。一般可以采用再进行处理：

（1）EMI磁环，用于将高频成分转换为热能；

（2）滤波器，采用双节、插入损耗高的产品；

（3）X电容和Y电容，分别用于抑制差模干扰和共模干扰；

（4）共模电感，用于抑制共模干扰。

辐射是指元器件本身或者通过相连接的导线向空间辐射的电磁干扰。GB9254规定辐射频段为150k～30MHz。GJB151A对辐射有很多分类，其中有的项目上限最高达40GHz。必须指出传导和辐射会相互作用。会因传导引起辐射，与开关电源相连的输出线、控制线等会起到辐射天线的作用，因此完善的屏蔽措施加上对各端子的连线进行滤波可有效的抑制辐射骚扰。一般采用电容和滤波器的方式进行滤波，辅之以屏蔽方式处理这类电磁辐射。另外，外壳必须良好接地。

电磁耐受性（EMS）是指设备或系统面临电磁干扰不降低运行能力的能力。相关标准为GB17626.1-12，主要包括电、静电和电磁四类。一般采用压敏电阻、瞬间抑制二极管和气体放电管来提高系统的电磁耐受性。气体放电管（TVS）动作速度很快，达到PS级（10-12），但其通流量不大，应将其放在后级。压敏电阻的通流量可以做的很大，但速度较慢，只有μs级（10-6）。为了能让高能量的浪涌电流尽量作用在压敏电阻和气体放电管上，在压敏电阻和气体放电管之间可以增加一级电感，用电感阻挡一些时间，使高能量的浪涌电压尽量从压敏电阻和气体放电管端进行泄放。气体放电管是一种负阻元器件，一旦导通只有几十伏的压降，故应该与压敏电阻配合使用。二级间的电感与EMC输入级的电感共用。endprint

压敏器件的动作电压按照公式（1）进行计算。其中Vin为熟土电压，Vz为动作电压。

Vz=Vin（1+20%）×1.4 公式（1）

2.2 控制电路中的电磁兼容设计

控制电路（弱电）为24V直流电源供电，必须坚决的与强电隔离。同样采用EMI直流滤波器对输入的电源进行隔离和滤波。消除早期干扰，形成干净的初始电磁环境。

系统中的地根据用途分类可以分为信号地、屏蔽地、保护地。

信号地GND：供给控制信号的基准电平（0v）

屏蔽地SG：是为了运行可靠，抵抗外部干扰而提供的将内部和外部噪音隔离的屏蔽层，各组件的机壳、金属外罩、安装板，以及电缆的屏蔽层连接在一起。

系统地PE：是将各设备机壳与大地相连，以保证有漏电发生时，可以保证人员安全，同时也确保干扰噪音流入大地。

印制板的设计中要注意以下几个方面的内容：1）电路中的电磁环路应保持最小；2）信号线与回线应尽可能的接近；3）使用较大平面以减小阻抗；4）电源线和地线应相互靠近，必要时采用大面积覆铜的方法；5）可以采用多层板的设计中，电源层和地线层单独进行布线。

在系统内部的互联中，注意采用电磁屏蔽线进行连接。在输入端和输出端使用大面积基地方式处理屏蔽导线，保证良好的接地。在系统的外壳的设计中考虑电磁兼容问题，使用屏蔽网和铜箔使机箱与空间进行必要的电磁隔离。连接电缆采用双层屏蔽，尽量减少导线和电缆的长度，以减少电磁泄露。

同时，交流输入电源必须与控制电路（弱电）分开走线，避免互相产生耦合，形成干扰。同时注意信号和电流的方向，使同方向的信号靠近，导线可以90度交叉，但应当避免平行走线，避免环形走线，以便减少耦合。

3 结束语

现代电子技术的发展带来了交流伺服驱动系统的飞速发展，愈发复杂的电磁环境对电子设备提出了更加严格的高标准要求。本文试图从交流伺服系统本身的电磁干扰入手，提出电磁兼容设计的一些想法和思路，从而对解决类似的电磁兼容问题起到一定的作用。当然，具体问题具体分析，实际应用中各种电磁环境纷繁复杂不能一概而论，还应因地制宜，有针对性的分析解决。

参考文献

[1]俞文英.电子设备电磁干扰及电磁兼容设计[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报，2005.

[2]张志华.EMI专用元器件的选择和使用[J].安全与电磁兼容，2006.

[3]郝，翁存海.电力电子设备的电磁干扰对策[J].船电技术，2011.