數控機床加工中伺服系統的EMI抑制方法

柯萬宇，湯前進，褚仁林，雷 力，吳 慧，方 平

（1.武漢華中數控股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.武漢文華學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

數控機床主要由數控系統、伺服系統、檢測系統以及機床本體組成[1]，是裝備制造業的工作母機。它的性能、質量以及擁有量是衡量一個國家工業現代化水平和綜合國力的重要標準。目前，高速、高效、自動化、高精度以及高可靠性是現代數控機床發展的主要趨勢。數控機床的可靠性作為衡量數控機床性能的重要指標，其中伺服驅動的諧波抑制是衡量數控機床可靠性的一項關鍵指標[2]。伺服單元采用空間矢量PWM調制方式，而電力器件工作在開關狀態會產生較大的du/dt和di/dt。開關電壓和電流均含有豐富的高次諧波，因此電機驅動系統的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）問題尤為突出。伺服系統的傳導干擾以共模EMI為主，共模電流經大地構成回路形成天線效應，給其他設備帶來嚴重的EMI，使得共模EMI造成的危害遠遠大于差模EMI造成的危害。因此，共模EMI在伺服驅動的電磁兼容性設計中顯得尤為重要，而這種共模電流即系統的高頻漏電流[3-8]。

1 伺服系統平臺設計

1.1 伺服系統工作原理

機床加工中，數控系統是數控機床的核心。它根據加工工藝要求完成插補運算，發出各種控制指令。伺服系統是數控機床的驅動裝置，接收數控系統發出的各種指令，驅動機床執行機構完成指定的運動。伺服系統包括主軸伺服驅動系統和進給伺服驅動系統。其中，X、Y以及Z軸伺服驅動系統完成數控機床各坐標軸的進給運動，S軸主軸伺服驅動系統完成主軸的旋轉運動，包括主軸的速度控制、主軸與進給驅動的同步控制、準停控制以及角度分度控制。電機是系統的執行單元，為連接的機械提供所需要的轉速和轉矩。

1.2 伺服系統平臺配置

圖1為某機床廠一個較為典型的案例，即在數控機床加工運行中出現數據丟失的現象，甚至在伺服系統上使能的瞬間或加工過程中會出現漏電保護開關跳閘而導致機床不能正常運行。搭建的伺服系統測試平臺模擬復現現場的工作狀態并做改進措施，如圖2所示。

圖1 某機床廠典型案例

圖2 伺服系統測試平臺

總線拓撲結構為IPC→MCP→S軸主軸→X軸伺服→Y軸伺服→Z軸伺服→IO→回到IPC。伺服驅動系統配置中，X和Y軸為交流伺服驅動單元，3.6 kW交流伺服電機，Z軸為交流伺服驅動單元，4.7 kW交流伺服電機，S主軸為交流伺服主軸驅動單元，7.5 kW交流主軸電機。

2 EMI及漏電流產生機理分析

2.1 機床中的伺服系統結構

機床加工中產生EMI諧波干擾的機理十分復雜。機床電氣系統電網側的動力線經過漏保開關接入機床的供電系統，再經過數控機床的總成開關將三相動力線經電抗器接入機床上的各接觸器及開關組件，然后通過這些組件將動力線接入開關電源和各伺服驅動單元。開關電源負責數控系統、I/O盒、各繼電器開關以及檢測系統的供電。如圖3所示，為了方便研究說明，特列出了電纜分布電容、伺服單元以及電機寄生電容。

2.2 伺服系統漏電流分布及機理分析

伺服單元和電機系統如圖4所示，伺服系統漏電流主要由3個部分引起。第一，伺服單元。伺服驅動器功率部分主要由整流模塊、IGBT模塊或IPM單元組成。功率器件的金屬外殼與散熱器之間通過導熱絕緣介質相隔離，散熱器通過機箱接到機床殼體，因此在功率器件與機床殼體之間形成了一個較大的寄生耦合電容。第二，電機部分。電機繞組和電機機殼之間的分布電容耦合。第三，電纜線部分。輸入電纜線及伺服單元到電機的輸出電纜線和地之間的分布電容耦合。

根據圖3拓撲，由基爾霍夫電壓定律可得：

圖3 伺服系統結構

式中，VU、Vv、Vw為伺服驅動輸出端相電壓，Vn為電機中性點電壓，iU、iv、iw為正常運行狀態下的電機的三相電流。將方程相加，可以得到：

正常運行狀態下的電機的三相電流對稱，即：

將式（3）代入式（2），可得電機端的共模電壓：

伺服驅動單元采用的是PWM控制方式，在伺服單元的功率開關器件工作在開關狀態，du/dt和di/dt較大，開關電壓和電流均含有豐富的高次諧波。這些高頻成分主要通過寄生電容和分布電容形成漏電流，經過大地傳導產生嚴重的EMI。因此，漏電流的近似計算式為：

式中，Gg為三相輸入電纜線及伺服單元輸出到電機端電纜線對地分布電容、電機繞組和電機機殼之間的寄生電容以及伺服單元對機殼的寄生電容并聯后的等效電容。由于電容的高頻的特性，驅動單元系統漏電流中的高頻成分較多，在機床加工中通過地線的高頻漏電流很大，容易導致漏保開關動作[9]。

圖4 伺服單元和電機系統

3 引入EMI抑制驗證

在搭建的如圖2所示的方案a和方案b兩種測試平臺中，增加伺服系統驅動和電機單元的功率，復現伺服系統在使能時外置漏保開關跳閘和數控系統在運行中數據丟包的現象，以提高輸入脈沖群等級，達到最終解決問題的目的。

3.1 驗證結果

測試設備主要包括泰克MSO-3050示波器、Tektronix A622電流探頭、HIKOI-3283日置泄漏電流鉗型表以及CHNTNXBLE-63漏保開關。

3.1.1 方案a測試

在圖2平臺中進行方案a測試，使能X、Y、Z軸后，每間隔3 min中斷一次使能S主軸伺服單元，用示波器探頭分別測試漏保外置電流檢測板和地線回路漏電流的波形。在1 h的測試中，在主軸使能的時刻會出現漏電保護空氣開關跳閘現象。在圖5中引入脈沖群干擾等級，在經過10次的±（2 500～4 500 V）的脈沖群測試中，測試系統數據丟包8次。圖5為使能X、Y、Z及S主軸在漏保開關未跳閘測試的波形，測試中已完全復現現場機床的工作異常的現象。

圖5 脈沖群測試

3.1.2 方案b測試

采用圖2平臺中的方案b進行測試，在三相動力線的輸入端增加共模抑制器，反復使能伺服驅動單元，同時用示波器檢測漏保外置線圈電壓和地線回路感應電壓。經過一周的老化測試，配電柜漏保開關正常工作無跳閘現象，伺服單元和系統運行正常運行。圖7為使能X、Y、Z及S主軸波形。

3.2 驗證分析

從圖8中兩種方案的對比測試可以看出，在方案b中插入共模抑制，當伺服系統工作在PWM模式下，作用在U、V以及W相的電壓通過電機所產生的du/dt和di/dt較大，噪聲反射到共模抑制器的副邊繞組，通過副邊繞組消耗吸收電路中的斜波電壓尖峰，能夠很好地抑制高頻漏電流。從圖6和圖7也可以看出，加共模抑制器后，整個波形的峰-峰值下降明顯。由于在方案b中高頻斜坡電壓尖峰得到了很好的抑制，在引入脈沖群干擾測試中，系統在10次的±4 500 V脈沖群實驗測試中無數據丟包現象。

圖6 漏保開關未跳閘測試的波形

圖7 使能X、Y、Z及S主軸波形

圖8 兩種方案的對比測試

3.3 應用案例

通過以上測試，將方案b的共模抑制器應用在某機床廠加工中心車間，經過半年的加工應用沒有發現漏保開關跳閘現象，加工狀態運行良好也無數據丟失現象。方案b的共模抑制器應用如圖9所示。

圖9 方案b的共模抑制器應用圖

3.4 總 結

首先，在數控機床應用中，在可能的情況下應按布線最短的原則合理布線，并做好動力線的屏蔽接地。其次，采用多軸一體的伺服系統，在軟件上作出相應的抑制EMI算法，使EMI共模電壓能相互抵消的同時達到消除高頻漏電的目的。最后，在數控機床的輸入端采用合理的EMI共模抑制，可以有效降低30%左右的高頻漏電流。

4 結 論

基于理論分析和實驗波形，在數控機床加工中引入EMI共模抑制可以有效解決機床運行中數據丟包問題，且降低了EMI諧波干擾，一定程度下能減小高頻漏電流，保證漏電保護器件正常工作，提高了整個機床系統的抗干擾能力和可靠性。