變頻器對(duì)增量編碼器的干擾及其抑制

吳 偉，蔣 琴，殷 斌，張如俊，袁小磊

（揚(yáng)州捷邁鍛壓機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

眾所周知，變頻器會(huì)對(duì)周圍電氣元件產(chǎn)生電磁干擾，特別是大功率的變頻器所產(chǎn)生的干擾會(huì)更加嚴(yán)重。電氣設(shè)計(jì)人員往往會(huì)想到接地處理、動(dòng)力電纜和控制電纜走線隔離、 加裝電抗器及電磁屏蔽環(huán)等方式抗干擾，但在實(shí)際應(yīng)用中，具體的操作方式大都不明確或細(xì)節(jié)處理不正確，沒有將電磁干擾消除，給后期調(diào)試帶來諸多隱患。

如果變頻器的干擾問題解決不好，不但影響增量編碼器的正常工作，還可能使整個(gè)控制系統(tǒng)不能可靠運(yùn)行。本文將闡述在實(shí)際應(yīng)用中遇到的幾類干擾現(xiàn)象及抑制措施。

1 變頻器干擾的來源

變頻器包括整流電路和脈沖電壓波形發(fā)生電路，輸入的交流電經(jīng)過變流器和平波回路的整流，變換成直流電壓，通過逆變器把直流電壓變換成不同寬度的脈沖電壓（稱為脈寬調(diào)制電壓PWM）。用這個(gè)PWM 電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就可以起到調(diào)整電機(jī)力矩和速度的目的。這種工作原理會(huì)導(dǎo)致三種電磁干擾。

（1）諧波干擾。整流電路會(huì)產(chǎn)生諧波電流，這種諧波電流在供電系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變，這種畸變的電壓對(duì)于許多電子設(shè)備形成干擾（因?yàn)榇蟛糠蛛娮釉O(shè)備僅能工作在正弦波電壓條件下），常見的電壓畸變是正弦波的頂部變平。諧波電流一定時(shí)，電壓畸變?cè)谌蹼娫吹那闆r下更加嚴(yán)重，這種干擾的特征是會(huì)對(duì)使用同一個(gè)電網(wǎng)的設(shè)備形成干擾，而與設(shè)備和變頻器之間的距離無關(guān)。

（2）射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾。由于負(fù)載電壓為脈沖狀，因此變頻器從電網(wǎng)吸取電流也是脈沖狀，這種脈沖電流中包含了大量的高頻成分，形成射頻干擾，這種干擾的特征是會(huì)對(duì)使用同一個(gè)電網(wǎng)的設(shè)備形成干擾，與設(shè)備和頻器之間的距離無關(guān)。

（3）射頻輻射干擾。射頻輻射干擾來自變頻器的輸入電纜和輸出電纜。在上述的射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾的情形中，變頻器的輸入電纜上有射頻干擾電流時(shí)，由于電纜相當(dāng)于天線，必然會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，產(chǎn)生輻射干擾。變頻器輸出電纜上傳輸?shù)腜WM 電壓，同樣包含豐富的高頻的成分，會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，形成輻射干擾。輻射干擾的特征是，當(dāng)其他電子設(shè)備靠近變頻器時(shí)，干擾現(xiàn)象變得嚴(yán)重。

2 抑制變頻器干擾的基本措施

形成電磁干擾必須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，其總體原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)干擾信號(hào)的敏感性。具體措施在設(shè)備上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

（1）采用軟件抗干擾措施。即通過變頻器的人機(jī)界面下調(diào)變頻器的載波頻率，把該值調(diào)低到一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶Ｈ绻@個(gè)方法不能奏效，那么只能采取下面的硬件抗干擾措施。

（2）進(jìn)行正確的接地。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾，是解決變頻器干擾最有效的措施。①變頻器的主回路端子 PE（E、G）必須接地。該接地可以和變頻器所帶的電機(jī)共地，但不能與其他設(shè)備共地，必須單獨(dú)打接地極，且該接地點(diǎn)應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離弱電設(shè)備的接地點(diǎn)。同時(shí)，變頻器接地導(dǎo)線的截面積應(yīng)不小于4mm2，長度應(yīng)控制在20m 以內(nèi)。②單獨(dú)接地。其他元件或設(shè)備的保護(hù)接地和工作接地應(yīng)分開單獨(dú)設(shè)接地極。控制信號(hào)的屏蔽接地和主電路導(dǎo)線的屏蔽接地也應(yīng)分開單獨(dú)設(shè)接地極。

（3）屏蔽干擾源。屏蔽干擾源是抑制干擾很有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，可以不讓其電磁干擾泄露，但變頻器的輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)（從控制器上輸出4～20mA 信號(hào)）控制變頻器時(shí)，要求該控制信號(hào)線盡可能短（一般為20m 以內(nèi)），且必須采用屏蔽雙絞線，并與主電路線（AC380）及控制線（AC220V）完全分離。此外，系統(tǒng)中的電子敏感設(shè)備線路也要求采用屏蔽雙絞線。且系統(tǒng)中所有的信號(hào)線決不能和主電路線及控制線放于同一配管或線槽內(nèi)。為使屏蔽有效，屏蔽層必須可靠且獨(dú)立接地。

（4）合理的布線。設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線；其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)避免和變頻器的輸入、輸出線平行。

（5）干擾的隔離。所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。通常是在電源和控制器及變送器等放大器電路之間在電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。

（6）在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器。設(shè)備濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源和電動(dòng)機(jī)。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器；為減少對(duì)電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有增量編碼器等電子元件，可在該設(shè)備的電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾。濾波器根據(jù)使用位置的不同，可分為：①輸入濾波器。有線路濾波器和輻射濾波器。線路濾波器主要由電感線圈構(gòu)成，它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流；輻射濾波器主要由高頻電容器構(gòu)成，它將吸收點(diǎn)頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。②輸出濾波器。輸出濾波器由電感線圈構(gòu)成，它可以有效削弱輸出電流中的高次諧波成分，不但起到抗干擾的作用，且能消弱電動(dòng)機(jī)中由高次諧波產(chǎn)生的諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩，對(duì)于變頻器輸出端的抗干擾措施，必須注意以下方面： 一是變頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通（關(guān)斷）瞬間，產(chǎn)生峰值很大的充電（或放電）電流，損害逆變管；二是當(dāng)輸出濾波器由LC 電路構(gòu)成時(shí)，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)，必須與電動(dòng)機(jī)側(cè)相接。

（7）采用電抗器。在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波成分（5 次諧波、7 次諧波、11 次諧波、13 次諧波等）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o功功率，使線路的功率因素大為下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有以下兩種： ①交流電抗器：串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間。其主要功能包括通過抑制諧波電流，將功率因素提高至（0.75-0.85）； 削弱輸入電路中的浪涌電流對(duì)變頻器的沖擊；削弱電源電壓不平衡的影響，等。②直流電抗器：串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因素方面比交流電抗器有效，可達(dá)0.95，并具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 是一個(gè)解決變頻器干擾的典型方案。如圖所示，變頻器的抗干擾措施主要包括在變頻器進(jìn)線部分加裝交流電抗器和濾波器，進(jìn)線和出線采用屏蔽電纜，所有電纜的屏蔽層與電抗器、濾波器、變頻器和電機(jī)的保護(hù)地共同接地，且該接地點(diǎn)與其他接地點(diǎn)分開，保持足夠的距離。同時(shí)，信號(hào)電纜和變頻器的動(dòng)力電纜不要平行布置。

圖1 變頻器干擾解決方案示意圖

3 增量編碼器的防干擾措施

3.1 增量編碼器的選型

編碼器的輸出類型對(duì)抗干擾很重要，輸出帶反向信號(hào)的抗干擾要更好，即 A+～A-,B+～B-,Z+～Z-，其特征是加上電源 8 根線，而不是 5 根線(共零)。帶反向信號(hào)的在電纜中的傳輸是對(duì)稱的，受干擾小，在接受設(shè)備中也可以再增加判斷（例如接受設(shè)備的信號(hào)利用 A、B 信號(hào) 90°相位差，讀到電平 10、11、01、00 四種狀態(tài)時(shí)，計(jì)為一有效脈沖），此方案可有效提高系統(tǒng)抗干擾性能（計(jì)數(shù)準(zhǔn)確）。

編碼器屬精密元件，在很多情況下編碼器并沒有壞，而只是干擾的原因，造成波型不好，導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，比如編碼器周圍有大功率變頻器在工作，則可能受到其電磁干擾。

編碼器自身有好壞，其碼盤、電子芯片、內(nèi)部電路和信號(hào)輸出的差別很大，選型時(shí)應(yīng)選擇品質(zhì)有保證的品牌。

3.2 抑制干擾的案例

（1）接地線的細(xì)節(jié)處理。提到傳感器抗干擾問題，大家最先想到的即是處理好各類接地。首先是干擾源的接地，即變頻器帶來的電磁干擾，除了上面講過的基本措施外，在此特別強(qiáng)調(diào)，有條件時(shí)將變頻器接電機(jī)的電纜換成帶屏蔽專用電纜，并將屏蔽層單獨(dú)接地。

其次考慮編碼器自身的接地。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)如果將編碼器電纜的屏蔽線接入電柜的集中接地塊，依然有被干擾的情況發(fā)生，計(jì)數(shù)無規(guī)律跳動(dòng)。而將編碼器電纜屏蔽線拆掉，現(xiàn)象有緩解，這證明接入電柜的接地塊反而對(duì)編碼器有干涉，最后將編碼器電纜屏蔽線獨(dú)立接地出去，計(jì)數(shù)無規(guī)律現(xiàn)象消失。

以上可看出，編碼器這類的敏感傳感器的電纜屏蔽線應(yīng)獨(dú)立接地。

（2）編碼器的供電電源。編碼器的電源正常由相應(yīng)電壓的穩(wěn)壓電源來提供。在實(shí)際應(yīng)用中，周邊變頻器的電磁干擾會(huì)對(duì)此電源產(chǎn)生干擾現(xiàn)象，使編碼器計(jì)數(shù)不穩(wěn)定。此時(shí)需要隔離電源來取代常規(guī)穩(wěn)壓電源，更換后，編碼器的異常現(xiàn)象消失。

（3）編碼器的供電電壓。編碼器供電電壓一般是直流10V～24V 或者直流10V～30V，正常情況我們會(huì)用較普遍的直流24V 電壓給編碼器供電。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)編碼器出現(xiàn)計(jì)數(shù)停滯現(xiàn)象，此時(shí)需要查看編碼器外部溫度，如果明顯感覺編碼器的溫度偏高，則可能是供電電壓偏高。比如將供電電壓換成直流12V，編碼器外部溫度正常，計(jì)數(shù)停滯現(xiàn)象消失。此類異常情況不能和變頻器的電磁干擾混淆。

[1]韓安榮,主編.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]王定華,主編.電磁兼容性原理與設(shè)計(jì)[M].四川:電子科技大學(xué)出版社,1995.

[3]鄭旭東,關(guān)鴻權(quán),吳赤兵.通用變頻器運(yùn)行過程中存在的問題及對(duì)策[J].石化技術(shù),2001.

[4]何亞福,等.淺談多圈絕對(duì)值編碼器作為單圈編碼器的運(yùn)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2009,44（6）.