伺服傳動(dòng)系統(tǒng)角度跳變電磁干擾問題研究

陳學(xué)文,王以波,柯昌燕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所,成都 610036)

0 引 言

隨著伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的快速發(fā)展,電磁兼容(EMC)日益成為一個(gè)突出的問題,也引起了眾多研究學(xué)者的探究興趣[1-3]。伺服傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中既是一個(gè)干擾源又是一個(gè)敏感設(shè)備,實(shí)際工作過程中由于其大負(fù)載、大功率的特性,容易成為制約整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的因素,對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性帶來挑戰(zhàn),電磁兼容問題嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作流程終止[4-6]。

在多干擾因素疊加的場(chǎng)合,如和大功率發(fā)射機(jī)共存的機(jī)柜、多設(shè)備調(diào)試的廠房等,伺服傳動(dòng)系統(tǒng)在自身運(yùn)行時(shí)也會(huì)受到周圍電磁場(chǎng)環(huán)境的影響而無法正常工作[7-8]。基于以上考慮,對(duì)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容性能有嚴(yán)格要求時(shí),在產(chǎn)品已經(jīng)基本定型的情況下,如何采取最小代價(jià)、制定現(xiàn)場(chǎng)處理措施來解決所發(fā)生的電磁干擾(EMI)問題是需要著重考慮的,這對(duì)于降低成本、縮短周期有著重要意義。

本文以某型號(hào)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中實(shí)際遇到的角度跳變電磁干擾問題為切入點(diǎn),對(duì)可能引起電磁干擾的多種因素進(jìn)行了分析,逐步排除,最終定位到具體的干擾源并采取對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)處理措施,抑制電磁干擾,通過比較抑制措施實(shí)施前后的效果,證實(shí)了所提出抑制措施的有效性。

1 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾問題分析

1.1 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

本伺服傳動(dòng)系統(tǒng)分為伺服部分和傳動(dòng)部分,伺服部分承擔(dān)控制驅(qū)動(dòng)功能,結(jié)構(gòu)形式為金屬機(jī)箱,一般安裝于室內(nèi)機(jī)柜中,傳動(dòng)部分承擔(dān)動(dòng)作執(zhí)行功能,結(jié)構(gòu)形式為傳動(dòng)座,上方承載天線,外觀分別如圖1(a)和圖1(b)所示。實(shí)際使用時(shí)兩者通過系統(tǒng)電纜連接,與上位機(jī)等通過串口通信。伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)由伺服控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)電阻、電源模塊、濾波器、手輪、連接器等組成,前面板有1個(gè)數(shù)碼顯示電路,用于顯示當(dāng)前傳動(dòng)座角度。傳動(dòng)座主要包括伺服電機(jī)、減速器、電限位裝置、基座等部分。

圖1 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外形示意圖

伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)接收上位機(jī)通過串口RS232下發(fā)的動(dòng)作命令,內(nèi)部的伺服控制模塊將接收的動(dòng)作命令轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電壓信號(hào)的大小計(jì)算出脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓的占空比,輸出驅(qū)動(dòng)電壓到電機(jī)繞組,完成對(duì)電機(jī)的速度控制。同時(shí),伺服控制模塊接收傳動(dòng)座上編碼器的同步時(shí)鐘信號(hào),經(jīng)過運(yùn)算處理得到位置誤差信號(hào),根據(jù)此反饋完成對(duì)速度的調(diào)節(jié),在到達(dá)左、右限位時(shí)伺服控制模塊接收低電平信號(hào),控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)座反向運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)位置控制。工作期間伺服控制模塊通過RS422串口輸出給數(shù)碼顯示電路進(jìn)行顯示。圖2為伺服傳動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理圖。

圖2 伺服傳動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

1.2 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)干擾現(xiàn)象分析

伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾問題發(fā)生于和系統(tǒng)聯(lián)試階段,此時(shí)伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)位于機(jī)柜內(nèi),安裝位置上方有發(fā)射機(jī)等大功率設(shè)備。系統(tǒng)供電220 V、未下發(fā)動(dòng)作指令的情況下,通過串口RS232接收的報(bào)文出現(xiàn)角度上報(bào)碼值跳變、伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)前面板數(shù)碼顯示電路角度跳變等異?，F(xiàn)象。考慮系統(tǒng)實(shí)際使用和校驗(yàn),為測(cè)試丟包率,去掉狀態(tài)自動(dòng)上報(bào),改為狀態(tài)查詢上報(bào),發(fā)送狀態(tài)查詢命令,伺服回復(fù)狀態(tài)信息。實(shí)際測(cè)試使用和校驗(yàn)時(shí),發(fā)送查詢報(bào)文10 000條,接收狀態(tài)信息報(bào)文7 026條,丟包率為29.74%,嚴(yán)重影響了信息傳遞的質(zhì)量和可靠性,這是系統(tǒng)不能忍受的。

關(guān)掉機(jī)柜內(nèi)的發(fā)射機(jī)等大功率設(shè)備后,角度跳變問題仍然發(fā)生,則電磁干擾問題與發(fā)射機(jī)等無關(guān)。后續(xù)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)作功能正常,但在以恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也出現(xiàn)角度值階躍跳變的現(xiàn)象。此問題干擾了系統(tǒng)正常工作,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤判、做出錯(cuò)誤操作。由于伺服傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過程中一切正常,未出現(xiàn)此現(xiàn)象,系統(tǒng)接線正確,故認(rèn)為此現(xiàn)象的原因?yàn)殡姶鸥蓴_?？紤]到聯(lián)試時(shí)的工作環(huán)境和系統(tǒng)電纜均有所差異,需要進(jìn)行故障定位及分析,同時(shí)采取對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)處理措施。

2 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾抑制措施研究

電磁干擾具備三要素[9]:電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。發(fā)生電磁干擾問題可以從這三個(gè)因素著手,只要消除其中某一個(gè)因素,就能解決 EMC 問題。伺服傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中EMI是客觀存在的,干擾的耦合途徑主要是輻射發(fā)射或者傳導(dǎo)發(fā)射,良好的電磁兼容設(shè)計(jì)可幫助系統(tǒng)工作得更加穩(wěn)定,但在產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)完成的情況下,需要盡可能降低成本、縮短周期,主要措施依賴于制定現(xiàn)場(chǎng)解決辦法,以提升伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容性能,使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)內(nèi)和傳動(dòng)座內(nèi)的組成都已經(jīng)完成模塊化設(shè)計(jì),角度跳變涉及回路為位置環(huán),則敏感設(shè)備可以確定為和系統(tǒng)通訊的伺服控制模塊或上報(bào)角度源碼的編碼器,干擾源主要考慮分機(jī)內(nèi)用于給模塊供電的AC/DC電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)座內(nèi)電機(jī),耦合途徑主要考慮分機(jī)內(nèi)電纜、分機(jī)機(jī)殼、機(jī)柜、伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)和傳動(dòng)座之間的3根電纜、空氣等。

2.1 電磁干擾抑制常用技術(shù)措施

如圖3所示,電磁干擾控制技術(shù)可分為以下五類[10-12],下面主要從這五個(gè)方面來討論本伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段電磁干擾的抑制技術(shù)以及存在的問題。

圖3 電磁干擾控制技術(shù)分類

1)電路和電子元器件。此部分對(duì)于電磁干擾的影響,在前期設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮,伺服控制模塊為自研模塊,電路設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮外部信號(hào)的干擾抑制,具備電源及I/O接口濾波電路,所選擇電子元器件符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),采用多層電路板設(shè)計(jì)以減小電源、地的寄生電感,做到了強(qiáng)、弱電分區(qū),數(shù)字、模擬信號(hào)隔離,布線間距遵循20H和3W規(guī)則,避免電場(chǎng)干擾和減少串?dāng)_。伺服驅(qū)動(dòng)器接口電路設(shè)計(jì)有濾波電容,可將電路中的高頻噪聲濾除,從而保證信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。編碼器選用外部廠家成熟產(chǎn)品,以RS422標(biāo)準(zhǔn)輸出,控制模塊發(fā)送一串時(shí)鐘脈沖鏈,絕對(duì)值編碼器響應(yīng)相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)值。其由旋轉(zhuǎn)變壓器、解算電路和接口電路組成,解算電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換,由接口電路輸出數(shù)字角度,但接口電路缺乏有效的濾波設(shè)計(jì)。

2)濾波。濾波是指在設(shè)備電源或信號(hào)進(jìn)口端采取措施進(jìn)行噪聲濾除,以減少和釋放干擾,可分為硬件濾波及軟件濾波。電源線中諧波中頻率范圍很廣,從10 kHz～100 MHz均有,共模干擾和差模干擾均較大,需要采用濾波器濾波。所選取的EMI濾波器具備優(yōu)良的共模和差模插入損耗特性,能夠抑制尖峰、瞬態(tài)干擾,減少高壓電源與控制電路的相互干擾。軟件濾波通過對(duì)編碼器上報(bào)角度碼值實(shí)現(xiàn)平滑濾波。AC/DC電源將+220 V(AC)轉(zhuǎn)換為+24 V(DC)直接給伺服控制模塊和編碼器供電,+24 V(DC)電源輸出無濾波器,存在的高頻噪聲可能導(dǎo)致電源上的干擾直接傳導(dǎo)出機(jī)箱。

3)屏蔽。屏蔽是指在干擾或被干擾設(shè)備之間形成物理的電磁護(hù)層,切斷或減弱干擾的電氣和空間的傳遞。伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)整機(jī)為鋁合金金屬機(jī)箱,上下殼體縫隙有導(dǎo)電橡膠條,顯示屏為屏蔽玻璃且與機(jī)箱搭接良好,連接器通孔設(shè)計(jì)為圓形,降低最大開孔尺寸,降低輻射干擾,最大限度形成內(nèi)外屏蔽保護(hù),提升其內(nèi)外電磁兼容性。伺服驅(qū)動(dòng)器殼體采用鋁合金整體成型,殼體邊沿圓弧過渡,避免尖角形成發(fā)射天線,接縫和接插件縫隙的設(shè)計(jì)盡可能小,通風(fēng)孔加裝了蜂窩結(jié)構(gòu)的通風(fēng)網(wǎng),增強(qiáng)對(duì)高頻信號(hào)的衰減。

4)布線。伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)內(nèi)部導(dǎo)線均采用屏蔽導(dǎo)線及屏蔽雙絞線,屏蔽層完全包住電纜,并良好接地。分機(jī)內(nèi)部EMI濾波器和驅(qū)動(dòng)器之間距離小于30 cm,電源線與信號(hào)線分開走線,避免伺服驅(qū)動(dòng)器的電磁干擾耦合到I/O線纜。驅(qū)動(dòng)器輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)線上套磁環(huán),防止高頻量的發(fā)射。分機(jī)和傳動(dòng)座之間的電纜采用高編織密度的防波套,但是系統(tǒng)電纜編碼器采用普通雙絞線,為提高電磁兼容性應(yīng)采用屏蔽雙絞線。

5)接地。接地是將干擾源接地以降低對(duì)信號(hào)的干擾,或?qū)⒚舾性O(shè)備接地以將部分干擾引至系統(tǒng)整體以減少對(duì)敏感設(shè)備的影響。分機(jī)內(nèi)濾波器、AC/DC隔離電源、伺服控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器與機(jī)箱側(cè)面或底部接觸,分機(jī)自帶接地柱,采用一點(diǎn)接地的方法與機(jī)柜接地柱連接共地。傳動(dòng)座內(nèi)電機(jī)外殼同樣接地,使得接地電阻和電感較小,防止電磁輻射泄漏,避免引入額外的干擾。

2.2 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)干擾抑制措施及效果測(cè)試

根據(jù)以上五個(gè)方面的分析,為確定敏感設(shè)備,使用軟件仿真模式觀察編碼器上報(bào)的角度源碼,發(fā)現(xiàn)存在不連續(xù)跳變現(xiàn)象,敏感設(shè)備為編碼器可能性極大。為進(jìn)一步確認(rèn),逐步拔掉伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)和傳動(dòng)座之間的3根線,發(fā)現(xiàn)僅拔掉位置反饋電纜時(shí),角度跳變現(xiàn)象停止。使用調(diào)試用位置反饋電纜和轉(zhuǎn)臺(tái)上的編碼器連接,無角度跳變現(xiàn)象,即可確認(rèn)敏感設(shè)備為編碼器。位置反饋電纜中包含AC/DC輸出的+24 V(DC)供電及地線2根、RS422信號(hào)及地線5根,左、右電限位信號(hào)反饋線和地線3根,則干擾來源于伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī),并且最大可能來源于AC/DC電源。AC/DC電源為開關(guān)電源,通過將市電整流濾波后直接將交流電變?yōu)橹绷麟?再在高頻震蕩電路的作用下,用開關(guān)管控制電流的通斷,形成高頻脈沖電流,在電感的幫助下,輸出穩(wěn)定的低壓直流電。開關(guān)產(chǎn)生的方波富有高頻諧波,能通過寄生電容形成的通路傳播。系統(tǒng)用位置反饋電纜和調(diào)試用位置反饋電纜區(qū)別在于調(diào)試用位置反饋電纜無防波套,如圖4所示,由此可判斷電磁干擾為傳導(dǎo)干擾,干擾耦合途徑是位置反饋電纜的金屬防波套。

圖4 位置反饋電纜區(qū)別

在系統(tǒng)要求改動(dòng)量盡可能小、更改周期盡可能短的情況下,不考慮對(duì)AC/DC電源和編碼器這兩者都為外部廠家貨架產(chǎn)品進(jìn)行更改。而考慮在耦合途徑上減小電磁干擾,其中AC/DC電源輸出端增加濾波器,涉及到濾波器定制,機(jī)箱內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)變化及分機(jī)內(nèi)重新走線,更改較為繁瑣。同時(shí),電磁干擾存在多種因素的疊加,因此,從屏蔽、接地、濾波三個(gè)方向采取電磁干擾抑制措施。

1)屏蔽。系統(tǒng)用位置反饋電纜內(nèi)部RS422信號(hào)線由雙絞線替換為屏蔽雙絞線,屏蔽層選擇具有良好電磁屏蔽效能的鍍錫銅屏蔽材料,增強(qiáng)抗干擾性能,如圖5所示。經(jīng)測(cè)試,通信效果沒有改善,仍存在角度跳變。

圖5 雙絞線替換前后

2)接地。理想狀態(tài)下伺服傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的電阻都應(yīng)為零。但在實(shí)際工作中,伺服傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部分的電阻不可能為零,這會(huì)形成電勢(shì)差,差值越大,相互之間的影響也就越大。而良好的接地設(shè)計(jì)可以有效減小電阻,從而減小電勢(shì)差,避免積累的靜電對(duì)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)造成損害及干擾。為簡(jiǎn)化電子設(shè)備內(nèi)的電路結(jié)構(gòu),給易受干擾的線路增加屏蔽,降低接地阻抗及減少地線間的雜散電感和分布電容造成電路間的相互耦合,伺服控制驅(qū)動(dòng)分機(jī)后面板連接器處裸露導(dǎo)線全部使用金屬屏蔽絲網(wǎng)包裹,與分機(jī)機(jī)箱后面板單點(diǎn)接地,減小了回路面積,增強(qiáng)了屏蔽性能,如圖6所示。經(jīng)測(cè)試,通信效果沒有改善,仍存在角度跳變。

圖6 金屬絲網(wǎng)加裝前后

3)濾波。共模噪聲模型如圖7所示,由于高頻信號(hào)與地之間通過寄生電容形成回路,故在原本的信號(hào)回路中多了一個(gè)等大同向的共模電流。

圖7 共模噪聲模型

使用EMI吸收元件來消耗共模電流是一種有效的決策,EMI吸收元件是有耗器件,在組帶內(nèi)吸收高頻噪聲的能量并轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā),起到濾波作用,可用于抑制電源線、信號(hào)線上的噪聲及尖峰干擾,解決DSP等數(shù)字電路控制系統(tǒng)由電磁干擾引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等問題。最常見的吸收元件是由鐵、鎳、鋅氧化物混合而成的鎳鋅鐵氧體磁環(huán),具有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,其等效為電感和電阻的串聯(lián),但只對(duì)單線加磁環(huán)無法有效抑制共模噪聲?？紤]對(duì)AC/DC電源+24 V的2根電源線各加裝磁環(huán),如圖8(a)所示,要求磁環(huán)在高頻段有高阻抗,選擇磁環(huán)頻率阻抗特性,見圖8(b),其在25～100 MHz頻段單匝阻抗在100～200 Ω左右。分機(jī)內(nèi)加裝磁環(huán)時(shí)每個(gè)繞3圈,增加在線路中的高頻阻抗,見圖9,加裝磁環(huán)前后測(cè)試分機(jī)內(nèi)AC/DC電源輸出端的頻譜圖如圖10所示。

圖8 磁環(huán)阻抗特性

圖9 分機(jī)加裝磁環(huán)

圖10 加裝磁環(huán)前后AC/DC電源輸出端的頻譜圖

屏蔽和接地措施實(shí)施之后,分別進(jìn)行測(cè)試,角度跳變現(xiàn)象沒有明顯改善,濾波措施加入磁環(huán)之后,1～100 MHz之間的高頻噪聲降低了5.8～12.4 dB(A),角度跳變現(xiàn)象消失。使用和校驗(yàn)實(shí)際測(cè)試10 000幀狀態(tài)報(bào)文,接收狀態(tài)信息報(bào)文10 000幀,丟包率為0,滿足系統(tǒng)使用要求。因此,電磁干擾是因?yàn)锳C/DC電源模塊發(fā)射的高頻噪聲直接通過位置反饋電纜傳導(dǎo)出機(jī)箱,在編碼器無接口濾波電路的情況下,直接注入了編碼器,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤,通過加入磁環(huán),抑制了電磁干擾,使問題得到解決。

3 結(jié) 語

本文以伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中遇到的角度跳變電磁干擾問題為研究對(duì)象,探究電路和元器件、濾波、屏蔽、布線、接地等多種因素的影響,最終定位為AC/DC電源輸出的+24 V直流高頻噪聲對(duì)編碼器差分信號(hào)的影響,在不大范圍改變現(xiàn)有設(shè)計(jì)的情況下,使用兩個(gè)磁環(huán)對(duì)電源進(jìn)行濾波,1～100 MHz范圍的高頻噪聲下降了5.8～12.4 dB(A),消除了高頻噪聲對(duì)編碼器差分信號(hào)的影響,采集的編碼器角度數(shù)據(jù)恢復(fù)正常,驗(yàn)證了該伺服傳動(dòng)系統(tǒng)所采取的抑制措施的有效性,可為類似情況下的電磁兼容問題提供借鑒,也提醒設(shè)計(jì)師在前期設(shè)計(jì)階段需考慮直流電源高頻噪聲對(duì)信號(hào)的影響。