伺服傳動系統的電磁干擾及抑制策略探析

張 霞

(成都師范學院，成都611130)

1 伺服傳動系統電磁兼容性設計概述

電磁兼容作為一門學科，以電磁場、電磁波理論、電路理論和信號分析為基礎，引起了人們的廣泛研究。隨著電力電子的飛速發展，機電型的伺服系統成為主要形式，裝備中伺服系統的大功率、大負載及高響應性的要求，使得系統的電磁兼容問題較為突出，這成為制約伺服傳動系統正常運行的因素［1］。

本文涉及的伺服傳動系統具有大功率、大負載和頻繁高速起動的特點，該系統除工作在原有電磁場環境的同時，自身運行時也會產生電磁干擾。伺服系統在正常運行時需不影響原設計的控制意圖，同時系統自身產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境造成嚴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射。基于上述因素的考慮，伺服系統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上，本文結合設備生產研制過程中，某型伺服傳動系統因產生大量電磁干擾導致無法正常工作的現象進行了分析，并對屏蔽外部電磁干擾的措施進行了論述。

2 伺服傳動系統電磁干擾問題分析

伺服傳動系統是集伺服系統控制、伺服精度分析、伺服機械結構設計、精密機構運動學和動力學建模等技術與一體的，以伺服機械結構和伺服控制有機結合的產物［3－4］。本文以參與調試的某型伺服傳動系統出現的電磁干擾為例，對干擾現象及抗干擾策略進行了分析。

2.1 伺服傳動系統的組成

本傳動系統主要分為伺服傳動系統和伺服控制系統。

伺服傳動系統如圖1 所示，傳動系統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，從而帶動轉盤及俯仰部分作方位轉動;俯仰電機帶動俯仰減速器及其軸上的天線作俯仰轉動。由于方位和俯仰都是在有限范圍內轉動，因而方位、俯仰均設置機械限位和電限位裝置，作為安全保護。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。

伺服控制分機接收主控系統的命令，實現對傳動系統的運動控制，并實時上報分機狀態。圖2 為伺服控制系統組成原理圖，伺服控制系統接收編碼器計數信息，經過運算處理得到誤差信號，將它換算成控制電機轉速的模擬電壓信號，驅動器根據電壓信號的大小計算出PWM 驅動電壓的占空比，輸出驅動電壓到電機繞組，完成對電機的閉環調速，實現天線轉臺轉動，達到控制傳動座的目的。

2.2 伺服傳動系統干擾現象分析

電磁干擾問題是工程項目中較為棘手復雜的問題之一，不確定性因素很多。對某伺服傳動系統進行聯調過程中，出現如下兩種不正常現象:通過主控系統發送命令，轉臺無法正常轉動;發送主控命令后，轉臺轉動較小的角度后停止，并出現編碼器報警現象。本文采用實驗對比法，伺服電動機處于制動狀態下，通過電機驅動器控制軟件對電機轉臺進行觀察。圖3 為靜態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生非常多的毛刺，并且毛刺峰值很大，與正常值間的差異達到2 500 編碼器輸出值(對應電壓0.05 V)，傳感器模塊無法計算電機當前轉速，伺服傳動系統存在嚴重的電磁干擾問題，造成該設備無法正常運行。

3 電磁干擾問題抑制策略

電磁干擾的產生無法避免，但在設計及調試過程中可通過采取相關技術措施對電磁干擾進行抑制，以達到消除或減小對伺服傳動系統正常工作的目的。

3.1 抑制干擾主要技術措施

如圖4 所示，抗電磁干擾的三大技術是屏蔽、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。

1)屏蔽。電磁屏蔽室電磁兼容技術一項重要措施，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。本伺服傳動系統中關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，抑制高頻干擾產生。根據實際情況可采取單端接地或雙端接地等措施。

3)濾波。EMI 濾波器經常在阻抗失配狀態下運行，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 伺服傳動系統干擾抑制

針對轉臺系統的傳導干擾，著重分析了電纜輻射和機箱輻射對伺服傳動系統的影響，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、關鍵信號纏繞防波套處理等;改善伺服控制機驅動分機接地環境，加強對機箱干擾的屏蔽;改善編碼器端信號地線環境。

通過上述對轉臺系統的輻射干擾的簡要分析，排除了傳動系統的接大地問題以及關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 為電機不工作時靜態正弦電壓信號(1 V峰值)，正弦電壓信號的幅值強度可以作為反饋，實現伺服系統的閉環控制。表明外圍干擾不足影響轉臺正常運轉。經試驗驗證，在主控命令控制下，轉臺可正常運轉，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象存在問題并采取措施后，伺服系統可正常工作，圖7 為電機在動態(低速運轉)下，電機驅動器軟件采集的編碼器幅度波形。正常情況下，伺服系統的傳感器采集模塊可識別的電壓為0. 5 V(對應編碼器輸出值為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，干擾抑制有效，系統能夠正常工作。

4 結 語

本文通過對調試過程中伺服傳動系統產生的電磁干擾因素的分析，提出了相應的抑制措施，主要包括對驅動電纜的屏蔽層接地方式的改善以及加強對機箱的屏蔽處理，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(電機處于制動狀態)和動態(正常運行)下對伺服反饋系統的測量參數進行的分析，并通過對轉臺干擾抑制的實際效果，驗證該伺服傳動系統干擾抑制策略的有效性。

［1］ 康永泰，齊蓉，袁國珍.單軸穩定平臺控制系統及其電磁干擾防護［J］.微特電機，2012，40(7):62－65.

［2］ 夏福梯.防空導彈制導雷達伺服系統［M］.北京:宇航出版社，1996:177－200.

［3］ 劉尚合.武器裝備的電磁環境效應及其發展趨勢［J］. 裝備指揮技術學院學報，2005，(1):55－68.

［4］ 秦繼榮.現代直流伺服控制技術及其系統設計［M］. 北京:機械工業出版社，1993:68－70.

［5］ 岳紅偉.電動轉臺系統電磁干擾抑制方法研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006:22－25.

［6］ 柳光福.不當接地引發的電磁干擾［J］. 電磁干擾抑制技術，2007，(5):61－63.

［7］ 陳窮，蔣全興，柳光福，等. 電磁兼容性工程設計手冊［M］. 北京:國防工業出版社，1993:35－38.