電梯系統中變頻器對旋轉編碼器信號的干擾分析以及解決措施

林少杰 梁敏健

變頻器在電梯調速系統中廣泛應用，但變頻器對電梯系統弱信號特別是編碼器的脈沖信號的干擾也顯得越來越明顯。本文通過認真分析變頻器對編碼器信號干擾途徑，總結提出了抑制變頻器對編碼器脈沖信號干擾的有效措施。

變頻器干擾；編碼器脈沖信號；傳導干擾；輻射干擾；耦合干擾

如今，變頻調速系統憑借其顯著的節能、平滑精確調速和軟啟動等優點已經成為了電梯調速系統的主流技術。變頻器在電梯系統中很常見，幾乎成了電梯控制柜中的“標配件”，不管變頻器是以獨立部件出現還是與電梯控制板一起以一體機形式出現。然而，在變頻調速系統中，在享受著其帶來的優點同時，也受到其帶來的干擾影響。變頻器干擾主要原因是變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產生的諧波對電網將產生傳導干擾，引起電網電壓畸變，影響電網的供電質量；其次是變頻器的輸出部分一般采用的是IGBT等開關器件，在輸出能量的同時將在輸出線上產生較強的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。而在電梯系統中，變頻器干擾對弱信號的檢測和傳輸極為不利，編碼器信號是極為容易受到干擾的弱信號，編碼器信號受干擾后，輕則會造成錯層、平層不準確、無故停梯、電梯運行時劇烈震蕩等故障，嚴重時會使系統檢測不到編碼器信號，導致系統紊亂，電梯無法工作。

1.變頻器對編碼器信號的干擾途徑

通過電源線傳導干擾。變頻器的干擾噪聲通過輸入電源線傳導到電網中，干擾同一網絡上的編碼器。圖1-a是筆者在變頻器沒有啟動前測得變頻器輸入電源的波形，是一標準50Hz正弦波；而圖1-b是變頻器工作時，在變頻器輸入端測得的電源波形，很明顯，圖1-b波形中除了50Hz信號，還疊加了很多高次諧波的干擾。從兩個波形圖對比可得知，變頻器工作時，噪聲干擾會沿著輸入電源線傳導到其他設備。

圖1-a變頻器啟動前輸入電源圖1-b變頻器啟動后輸入

波形電源波形

通過輻射干擾。變頻器的輸入和輸出電流中都有頻率較高的諧波成分，高次諧波所產生的電磁場具有輻射功能，編碼器線路因接收到輻射電磁波而受到干擾。噪聲頻率越高，輻射能力越強，但傳播距離短；而噪聲頻率越低，輻射能力較弱，但傳播距離越遠。圖2-a和圖2-b波形信號是筆者做的實驗對比，圖2-a是編碼器傳輸線離變頻器很遠時且信號線采用屏蔽措施后（可以認為編碼器沒有受到輻射干擾）所測得的波形，圖2-b是編碼器傳輸線離變頻器很近時，并而沒有采取屏蔽措施（可以認為編碼器信號受到了輻射干擾）所測得的信號波形。從對比得知，編碼器信號在受到輻射干擾后的波形嚴重失真，影響PLC或者CPU對脈沖的計數準確性。

圖2-a編碼器正常信號 圖2-b受輻射干擾的編碼器信號

通過耦合干擾。當變頻器的輸入輸出電纜與編碼器電纜離得很近，而且長距離平行敷設，變頻器的高次諧波信號將通過電纜的分布電容耦合到編碼器的線路當中，對編碼器的信號造成干擾。圖3-a和圖3-b是筆者做對比試驗測得的信號波形。

圖3-a正常波形圖3-b編碼器信號受到耦合

噪聲干擾波形

其中圖3-a是正常的信號波形，圖3-b是把編碼器的傳輸電纜（非屏蔽電纜）與變頻器的輸出電纜扎在一起，平行布線所測得的信號波形。從對比結果得知，圖3-b信號是受到了變頻器輸出電纜噪聲的耦合干擾，從波形圖來看，與前面所提的輻射噪聲干擾不一樣，該干擾主要是低頻耦合噪聲。

2.解決變頻器對編碼器信號干擾的措施

降低干擾源的強度。干擾很大程度上是由于變頻器內部高速IGBT的開關造成的，降低IGBT的開關頻率能大大降低干擾源的強度。一般變頻器都有載波頻率設置，為了降低干擾，推薦把載波頻率設置成最低（2KHz）。不推薦載波頻率低于2KHz,,若載波頻率低于2KHz，電機噪音很很大，而且變頻器噪聲反而會增大。降低載波頻率后，無論是傳導干擾、輻射干擾還是耦合干擾都可以大大降低，因此這是最有效的降低干擾的方式之一。

采取屏蔽措施。編碼器的傳輸電纜采用屏蔽電纜，變頻器的輸入輸出動力電纜也采用屏蔽電纜。采用屏蔽措施后，可以大大降低輻射干擾和耦合干擾。采取屏蔽措施是抑制干擾的有效措施之一。

加裝濾波器。因為變頻器的干擾噪聲會沿輸入電纜傳導到編碼器，在變頻器輸入側加裝濾波器可以抑制變頻器對電源的干擾，也就是切斷了傳導干擾的傳播路徑。變頻器加裝輸出濾波器可以降低輸出電纜的耦合噪聲，對電機而言，也可以減少損耗和降低振動。

動力線和弱信號線分開敷設。變頻器的動力電纜和編碼器的傳輸電纜分開敷設，盡量拉開距離。這樣做的好處是可以降低耦合噪聲。

弱信號系統采用隔離電源。編碼器的電源盡量采用帶有隔離功能的線性電源，盡量不要用一般的開關電源。帶有隔離功能的線性電源可以切斷變頻器的傳導干擾，為編碼器提供高質量的電源，而一般開關電源沒有隔離功能，而且電源紋波比較大。

編碼器信號采用差分傳輸。在強干擾場合，盡量選用差分輸出的編碼器，對比單端輸出信號而言，差分輸出信號具有更強的抗干擾能力和更遠的傳輸距離。

電容濾波。在編碼器信號的進入PLC或者微機板的IO口前采用一個小電容（幾百到一千皮法）并聯在信號線與地線之間，可以降低高頻干擾。

軟件濾波。在PLC軟件或CPU軟件對脈沖進行計數時，采用適當的濾波算法進行去干擾也是一種可行的辦法。

電梯控制系統中，編碼器作為閉環控制的一個反饋關節，其信號質量影響到電梯的加減速控制、平層精度、舒適感等眾多功能。然而，編碼器信號又是弱信號，容易受到變頻器噪聲的干擾，因此，認真分析變頻器對編碼器的干擾及采取合理措施抑制干擾使電梯可靠正常工作是十分必要的。