改善交流伺服系统脉冲接口抗干扰能力.docx

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改善交流伺服系统脉冲接口抗干扰能力

改善交流伺服系统脉冲接口抗干扰能力的几种典型接口方法

由于交流伺服电机驱动器内部对脉冲指令和方向控制输入采用了高速光耦。

为增强其抗干扰及提高工作可靠性，建议对脉冲指令和方向控制输入采用如下接线方式。

（1）采用差分信号输入方式

该方式具有最好的抗干扰能力，适合于较高工作频率。

（2）控制器为集电极开路输出形式时的推荐接法

（3）控制器为射极跟随输出形式时的推荐接法

图3

注：

当VC＝24V时，R＝1.2K～1.8K。

当VC＝12V时，R＝510。

∙浅析伺服系统中电磁兼容性设计和抗干扰措施

发布时间：

2010-06-1816:

36:

25

今天，伺服系统和CNC、PLC、变频器、等其它自动化产品一样，已经成熟应用于工业生产的各个领域。

但是在实际应用中，总会出现一些干扰因素，影响伺服系统的正常工作，如脉冲不准，驱动器误报等等，甚至造成设备失控和误动作，威胁到人和机械的安全。

出现这些问题后，设备厂家总会认为是产品缺陷，要求自动化供应商协助解决，甚至更换其它品牌的工控产品，现有工控产品便成了无辜的“替罪羔羊”。

其实这种情况不论在进口产品和国产产品都会有发生的机率，只是在进口的设备中，特别是欧美机械设备，比较注意产品的电磁兼容性（EMC）设计和安装的规范，采取了必要的抗干扰措施，从而大大降低了干扰因素带来的影响。

工业控制设备的可靠性和稳定性，不但取决于工业控制类产品的可靠设计、更取决于设备生产厂家的方案设计和施工安装响。

本文浅析了工控领域中伺服系统中常见的干扰因素，并结合笔者多年来的实际工作经验阐述了常用的抗干扰措施，以希望帮助工程师和设备厂家能够正确的使用我们的产品，来实现设备稳定可靠的运行。

何谓EMC

EMC直译就是电磁兼容性，是ElectroMagneticCompatibility的缩写。

国际电工委员会（IEC）对EMC的定义是指“设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力”。

因此，EMC包括两个方面的要求：

一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值（EMI）；另一方面是指组件对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性（EMS）。

简单的说，就是电子设备的干扰性和抗干扰能力。

无论是CNC、PLC、伺服系统、变频器都会产生电磁干扰，同时也受到其它设备的干扰。

如变频器、伺服驱动器等PWM设备自身就是大的干扰源，但同时他们也是电子设备，控制板也同样会受到其它产品的干扰。

CNC和PLC自身产生的电磁干扰小，但要注意它们的抗干扰性。

很多工程师在设计时，往往会忽略这些细节。

当后期到达客户现场后，才发现无法抵御外部干扰或者产生了干扰其它设备的情况，到时再“亡羊补牢”。

EMC最为重要的一条准则是“预防是最有效的、最经济的方案”，因此合理的设计和规范的施工是提高工控产品和机械设备稳定运行的关键性因素和前提条件。

伺服系统中干扰类型和途径

（1）来自空间的--辐射干扰

来自空间的辐射干扰分布极为复杂，字面上理解这类的干扰源和被干扰产品间没有直接的联系，通常都是电磁感应的形式在空间传播的。

在民用领域中，这类干扰像空气一样也无处不在，如打手机时，电视机的图像会产生雪花点等。

飞机飞行中禁止使用遥控玩具和电子类产品也是基于杜绝辐射干扰的考虑。

在工业控制系统中，辐射干扰源主要由是大型放电加工，高频加热设备对电网噪音污染，如高频淬火机床，CNC等离子切割设备。

变频器和伺服驱动器在运行时也会通过电网电线对其它控制类设备发射的噪音信号。

电柜中大电流交直流接触器或者继电器线圈频繁吸合产生的浪涌冲击，也同样会产生噪音污染。

对付辐射干扰最为有效的措施就是金属屏蔽。

（2）来自系统配线—传导干扰

这类干扰在工业控制领域比较常见，干扰的途径多为自控系统中的变频器和伺服驱动器产生的噪音，经由电源电缆、信号电缆或者错误的接地电缆等，传导到系统的其它电子设备，从而影响到机械设备的稳定性运行。

对付传导干扰的有效措施就是采用电源滤波器、隔离电源、屏蔽电缆、以及合理和可靠的接地来解决问题。

（伺服系统中噪音干扰的途径）

伺服系统的抗干扰措施

通过以下措施可以有效降低电磁干扰，提高系统的抗干扰性。

（1）电气控制柜的设计和安装

电柜设计必须使用金属材料，在电柜设计时，要根据EMC的区域原则，合理的布局。

将不同的设备规划在不同的区域中，伺服放大器或者变频器、等驱动单元应尽量靠近安装在柜子的底部，使用接地金属隔离板将区域隔离，或者独立安装在金属电柜中，远离PLC和CNC等其它电磁干扰小的电气组件。

电柜中，电气元器件的安装要根据其安装的要求留有一定得空间，以保证良好的通风和散热，不要阻挡风扇的正常流通。

电柜中布线应强弱分开，信号线和动力线要分开走线，不要将380/220VAC和24VDC以下规格电缆共享同一个电缆槽。

变频器和伺服驱动放大器单元到电机动力电缆应使用金属屏蔽层的电缆，电缆线应该尽量的短，以避免功率损耗，减少干扰。

电缆的屏蔽层的电导至少是U/V/W相导线线芯电导的1/10。

电机电缆和其它电缆长距离最小为500mm，应避免长距离平行走线，交叉走线，当控制电缆和电源电缆交叉，应保证90°交叉，同时必须用金属夹子将电缆屏蔽层固定在安装板上。

电柜通风开孔要使用密集金属网格，切口越小越好。

因为狭孔可能在电柜中传导辐射高频信号。

电柜的柜门和电缆的进线口要可靠接地，避免电柜内部的干扰磁场通过屏蔽电缆泄漏出去。

柜门要使用有传导性的密封垫，紧贴柜体。

这些措施在放电加工设备尤为重要。

AC接触器和DC继电器安装要远离I/O部件和信号电缆，并且要使用正确的RC抑制组件和飞轮二极管，减少线圈吸合时噪音污染。

（不正确的安装—接触器吸合时带来的电磁干扰）

（2）电源部分考虑

动力变压器选用---台达的伺服系统在1.5KW以下，支持单相AC220V电源输入。

但2KW～7.5KW，就需要AC380/AC220S三相动力变压器来提供动力电源。

变压器的隔离在一定程度上也提高了设备的抗干扰能力，对于金属切削加工设备，如CNC车、铣床，我们都建议客户使用三相AC220V动力变压器，因为这样可以减少用户电网的波动对加工效果的影响。

变压器的容量一般选择驱动器功率总和的1.5~2倍。

当变压器容量不足时，变压器会发热，会影响电机扭力的平稳输出。

除提供伺服系统的动力变压器外，设备可能还需要使用单相AC220V提供上位机工作，如PLC，CNC等，我们建议客户增加一台独立的AC220V控制变压器的来提供控制电源，不要和驱动器动力部分使用同一个AC220V电源,因为伺服驱动器产生的噪音，有可能会影响CNC和PLC的工作。

对于直流DC开关稳压电源可以提供I/O模组工作或者外部传感器的工作电源，使用这个电源时要考虑足够的容量，至少留有20%的余量。

同时DC电源要有足够的抗冲击能力，以保证负载突变时，维持一个稳定的电压输出，要求变化率不能大于5%。

直流DC开关稳压电源组件要可靠地接地。

当使用大电流的DC24V电磁阀、离合器或者伺服电机电磁刹车线圈时，不能使用这个稳压电源，因为负载的冲击，有可能造成PLC和CNCI/O模组信号的误动作。

当使用DC24V继电器时，要使用飞轮二极管以减少线圈吸合时噪音污染。

（3）接地部分考虑

合理和可靠的接地是解决传导性干扰最为有效地方法，但错误的接地不但不能减少干扰，反而成为干扰的“帮凶”。

在国内，供电系统因为大部分使用的是TN-C三相四线制供电环境,PE线和N线合一，设备间噪音干扰大，所以处理起来也最为头痛！

接地根据用途分类可以分为信号地、屏蔽地、保护地。

信号地GND：

提供给控制信号的基准电平（0v）

屏蔽地SG：

是为了运行可靠，抵抗外部干扰而提供的将内部和外部噪音隔离的屏蔽层，各组件的机壳、金属外罩、安装板，以及电缆的屏蔽层连接在一起。

系统地PE：

是将各设备机壳与大地相连，以保证有漏电发生时，可以保证人员安全，同时也确保干扰噪音流入大地。

电柜中所有的电气组件接地端子（变频器、PLC）都要使用短而粗的接地线可靠的连接到公共接地点或者接地母排PE上，严禁将接地端子随意的连接在电柜的金属外壳上。

强电功率线屏蔽层处理---如驱动器输入电缆、电机U/V/W电缆、接触器线圈屏蔽电缆等，电压等级在24V以上的屏蔽电缆的金属屏蔽层要采用金属卡子卡在强电接地板上。

信号线屏蔽层处理---如电机的编码器信号线线、传感器信号线，变频器控制线、伺服控制线等，电压等级在24V以上的电缆，必须使用双绞屏蔽电缆！

屏蔽电缆两端的金属屏蔽层要采用金属卡子卡在信号线接地板上，或者连接到插头的屏蔽卡子或接头的金属外壳部分！

只有在特殊情况才做单边屏蔽！

信号线回路和强电回路电缆不能够捆扎在一起，分开走线。

如果靠的太近，强电信号就会对弱电信号进行干扰，两者可以成90°交叉，但严禁长距离平行走线安装。

电柜中最小距离20cm以上，强电接地板和信号线接地板不能共享一块金属板接地，两者要保持一定距离，并且要使用短而粗的电缆连接到公共接地导线。

信号电缆布线要远离变频器、变压器、伺服驱动器、接触器等可以产生严重磁场干扰的设备。

双端屏蔽——一般情况下，如果源端和接收端设备两边都接地，屏蔽电缆两端都要接金属机壳，并确保大面积接触金属表面以便能承受高频干扰。

如果仅仅在一端接地屏蔽，电缆上也可能出现干扰。

单边屏蔽---在极少数情况下，也可以只进行一端屏蔽。

例如，不带数字符件的纯模拟系统。

在一端进行屏蔽仅仅提供了对低频的静电保护，有能力耦合吸收干扰和发射。

单端屏蔽的屏蔽联接屏蔽点必须是联接部件的电气参考地。

如果联接两边（源端和接收端）都处于浮地状态，则屏蔽必须接在接收端。

如果源端和接收端两边都接地，则屏蔽必须两端都接地。

（4）EMI电磁滤波器的使用

当变频器或者伺服驱动器工作在一个对电磁干扰较为敏感的场合，那么你就必须考虑为它们选用EMI电磁滤波器，可以防止此类设备产生的干扰耦合到外部电源回路中，使驱动器电磁干扰影响降至最低。

EMI的安装注意事项

为了确保EMI滤波器（EMIFilter）能发挥最大的抑制伺服驱动器干扰效果，除了伺服驱动器，按照使用手册的内容安装及配线之外，还需注意以下几点：

A　伺服驱动器及EMI滤波器（EMIFilter）都必须要安装在同一块金属平面上。

B　伺服驱动器及EMI滤波器安装时，请尽量将伺服驱动器安装在EMI滤波器之上。

C　配线尽可能的缩短。

D　金属平面要有良好的接地。

E　伺服驱动器及EMI滤波器（EMIFilter）的金属外壳或接地必须很可靠的固定在金属平面上，而且两者间的接触面积要尽可能的大。

选用电机线及安装注意事项：

电机线的选用及安装正确与否，关系着EMI滤波器（EMIFilter）能否发挥最大的抑制伺服驱动器干扰效果。

请注意以下几点：

A　使用有屏蔽铜网的电缆线（如有双层屏蔽层者更佳）。

B　在电机线两端的屏蔽铜网必须以最短距离及最大接触面积去接地。

C　电机线的屏蔽铜网与金属平面的连接方式需正确，应将电机线两端的屏蔽铜网使用U型金属配管支架与金属平面固定。

D　U型金属配管支架与金属平面固定处需将保护漆移除，确保接触良好。

结束语

控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，只有设计工程师和设备厂家在设计中和施工中做到“未雨绸缪、防微杜渐”，坚持“预防是最有效、最经济的方案”的准则，来综合和全面的考虑各方面的因素，才能够有效地避免系统干扰的发生，从而保证设备稳定可靠的运行。

来源：

《中国电源博览》105期

PLC和伺服组成的运动控制系统中的抗干扰设计

摘　要　分析了各种干扰对PLC和伺服驱动器作用的机理,从硬件和软件两个方面提出了相关的抗干扰措施。

这些措施对于PLC系统在运动控制中的应用有一定的实用价值。

关键词　PLC；Servo；抗干扰；数字滤波

一概述

着工业控制技术的发展,PLC和伺服技术的到了长足的发展。

PLC是专为工业生产环境设计的计算机控制设备，且有可靠性高、硬件配套齐全、用户程序简单易学且维护方便等优点而广泛应用于各行各业中；交流伺服电机控制采用了磁场定向矢量控制原理,具有动态响应快、稳态运行精度高、转矩脉动小,低速运行平滑等性能,而且调速范围较大，做为进给传动装置得到了广泛的应用。

PLC一般具备脉冲输出接口，所以以PLC和脉冲式伺服组成的简易数控系统是经济型机床的首选。

PLC和伺服都是专门为工业控制环境而设计的,因此本身可靠性强,所以在一般的控制系统中不用抗干扰设计或进行简单的抗干扰设计就可以使系统安全可靠地运行。

但在特别恶劣的应用环境中,如强电场、强磁场、剧烈的冲击和振动环境,控制系统和执行机构并不一定能可靠地工作;另外,在对可靠性要求特别高的场合,就要对控制系统和执行机构进行特别的抗干扰设计。

为提高系统的可靠性,首先要认真分析相应的应用环境中各种可能产生干扰来源,在此基础上选择可靠性强的PLC及相关模块,从硬件的角度如工程设计、施工布线、使用维护等进行抗干扰设计,另外,还要有针对性地从软件方面进行抗干扰设计。

二系统中主要的干扰来源和抑制措施

干扰的来源众多,破坏了系统的稳定性。

系统的不稳定的主要表现为内部信息被破坏，导致控制系统混乱，执行机构误动作和网络出错，影响设备的正常运行。

2.1PLC

从形式上讲,PLC控制系统的干扰分为两类:

内部干扰、外部干扰。

内部干扰,是PLC本身的问题;外部干扰,包括导线传入的干扰（由电源线、控制线各信号线等外部线引入的干扰）、空间感应和辐射干扰、地线传入的干扰。

在现实的工业实际情况中，内部干扰的情况比较少见。

下面首先分析来自外部的干扰。

（1）选用性能优良的电源，采取措施抑制电网干扰

在PLC控制系统中，电源占有极其重要的地位，也是干扰进入PLC的主要途径之一。

电网线路上挂接了各种用电设备,如大功率电动机、交直流传动装置、变频器、家用电器等等,这些设备的启、停会引起电网的电流电压波动，产生的幅值很大浪涌和高次谐波。

如果使用PLC系统的交流供电电源，在干扰较强或可靠性要求很高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，屏蔽层应可靠接地;也可以在初级、次级绕组之间加屏蔽层，并将它们和铁芯一起接地，以提高高频共模干扰能力。

（2）来自空间感应和辐射的干扰

大多PLC控制系统所处的空间中有各种各样的电场和磁场,这些电场、磁场无不影响着控制系统。

电磁场（EMI）主要由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的;屏蔽效果差的PLC控制系统本身也会产生电磁场,所产生的电磁场反过来又影响控制系统本身。

这些电磁场统称为辐射干扰,其分布极为复杂。

只要PLC控制系统处于辐射范围内,其就会受到干扰。

控制系统受到干扰的程度和辐射的强弱和频率有关。

辐射通过以下两种途径影响PLC控制系统:

①直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;②对PLC通信网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。

针对此种干扰，屏蔽、滤波和接地是三种主要的方法。

（3）由信号线引入的干扰

相邻信号线上的串扰信号会在被串单线路上产生噪声或在被串线路对上产生耦合信号,即在被串线路上有串扰信号存在。

由信号引入干扰会引起I/O接口信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。

对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总地线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。

（4）由地线引入的干扰。

接地的目的有两个:

一是为了安全;二是为了抑制干扰地线的连接方式不当,会引起地环流。

地环流在屏蔽线内部产生电磁场,进而干扰屏蔽线,造成信号的失真。

下图为正确的接地方式，坚决避免串联接地。

（5）不科学安装和布线

不同类型的PLC有不同的安装规范，如CPU与电源的安装位置、机架间的距离、接口模块的安装位置,1/O模块量、机架与安装部分的连接电阻等都有明确的要求，安装时必须按所用的产品的安装要求进行。

PLC应设有独立、良好的接地装置，接地电阻要小于100Ω，接地线不能超过20m,PLC不能与其它设备共用一个接地体川。

PLC电源线、I/O线、动力线最好放在各自的电缆槽或电缆管中，线中心距要保持至少大于300mm的距离。

模拟量输入/输出线最好加屏蔽，且屏蔽层应一端接地。

PLC要远离干扰源，信号线若不能避开干扰源，应采用光纤电缆。

在室外安装时须采取防雷击的措施，比如在两端接地的金属管线中走线。

为了减少动力电缆电磁辐射干扰,尤其变频装置馈电电缆引起的电磁干扰,决定采用两条基本原则:

其一是在实际工程中,尽量采用铜带铠装屏蔽电力电缆,降低动力线产生的电磁干扰,这种方法的实际效果在许多场合被证明是非常有效的;二是对不同类型的信号分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号种类分层敷设,严禁同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号,避免信号线与动力电缆平行敷设,以减小电磁干扰。

在PLC控制系统中,硬件上的抗干扰设计是基础也是抑制干扰的根本的措施。

除此之外,还可以在软件设计上,可以采用数字滤波和软件容错等经济有效的方法,进一步提高系统的可靠性。

（1）数字滤波

现场的模拟量信号经A/D转换后变为数字量信号,存人PLC中,再利用数字滤波程序对其进行处理,滤去噪声信号从而获得所需的有用信号。

工程上的数字滤波方法很多,常用的有:

平均值滤波法、中间值滤波法、加权滤波、滑动滤波法等。

（2）软件容错

尽管采用了各种抗干扰技术,但不能够完全杜绝干扰,干扰或多或少、或大或小总是存在的,并且在特定的条件下还有可能对控制系统造成大的干扰,因此,我们还应该在程序编制中采取软件容错技术。

所谓容错,就是在干扰不能避免的情况下,万一其对控制系统造成大的干扰而使系统出现异常时,控制系统能对其及时的进行反应,并根据出错时的状态决定系统下一步补救措施。

主要有以下容错技术:

①程序重复执行技术:

在程序执行过程中,一旦发现现场故障或错误,在某些情况下可以重新执行被干扰的先行指令若干次。

若重复执行成功,说明引起控制系统故障的原因为干扰,否则是干扰以外的原因,此时应输出软件失败（Fault）并停机、报警。

②对死循环作处理:

在程序中设计了定时狗（WDT）程序,当定时超过原定时间时,可以断定系统进入了死循环。

当控制系统进入了死循环,可以根据程序的判断,决定下一步是停机还是进入相关的子程序进行系统的恢复。

③软件延时:

为确保重要的开关量输人信号、易抖动信号的检测和控制回路数据采集的正确性,可采用软件延时15ms―20ms,并对同一信号多次读取,结果一致,才确认有效,这样可消除偶发干扰的影响。

2.2伺服

伺服系统和PLC系统类似，PLC的外部干扰源和抗干扰措施同样适用于伺服系统。

同时，伺服系统和PLC还有不同之处。

伺服驱动器的抗干扰主要式防止干扰脉冲的输入。

（1）伺服驱动器的脉冲输入端口分为开路集电极方式和差分输入方式。

由于开路集电极方式的抗干扰能力比差分输入方式的差的多，所以，选型的时候尽量选取含有差分输入方式的伺服驱动器。

（2）为了尽量减少伺服驱动器在没有上位定位指令的时候将干扰信号输入，在程序设计中要在没有脉冲输入时，将伺服驱动器的“脉冲输入禁止”信号激活，这样能有效的减少干扰脉冲的输入。

（3）伺服驱动器和伺服电机之间的连线要使用屏蔽线，线缆的拨开屏蔽层的部分不能大于75mm，屏蔽层要在伺服驱动器侧可靠接地。

（4）如果条件允许，应采用伺服的速度控制模式和上位控制器构成闭环控制。

三实例

某公司生产了一种采用简易的数控钻床，控制系统为三菱公司的Fx系列的PLC，X、Y轴为伺服电机带动丝杠进行定位控制，Z轴为液压进给方式，主轴为变频器带动普通的三相异步电动机通过减速箱控制。

在实际的调试中发现定位不准确。

经检查发现，该机床的伺服电机在没有脉冲指令的时候仍然存在脉冲输入，且伺服驱动器收到的脉冲数和上位控制器PLC发出的脉冲数不相等，尤其是在变频器启动的瞬间，情况更为严重。

所以判断此系统存在严重的干扰。

经过以上的分析，拟在PLC的电源处增加一个输入滤波器，PLC与伺服驱动器的脉冲信号连线采用屏蔽双绞线连接，并且使这根线尽量的短；在伺服驱动器的电源处增加一个输入滤波器；在直流电磁阀处增加续流二极管，在交流接触器处增加浪涌吸收器；信号线和动力线分别敷设在不同的走线槽中并且间隔200cm；变频器的输入端增加一个输入滤波器，把变频器和电动机的连接线改用屏蔽电缆，并且在变频器侧良好接地；修改PLC的控制程序，使伺服驱动器上的“脉冲输入禁止”信号在上位控制器没有脉冲输出的时候就生效。

经过改进，机床的性能完全符合要求。

四结论

要提高设备的可靠性,一方面要求PLC和伺服的生产厂家进一步提高产品的抗干扰能力;另一方面要求在工程设计、安装施工和使用维护中,多方配合才能完善解决干扰问题,有效地增强系统的抗干扰能力。

参考资料

[1]廖常初,PLC编程及应用机械工业出版社,2005年5月第2版

[2]高永胜,可编程序控制器的抗干扰措施[J].机械管理开发第5期（总第69期）,2002年12月

[3]汤媛,PLC控制系统产生干扰的原因入抗干扰措施[J].石油化工建设,Vol.27No.3June.2005

[4]熊幸明,PLC控制系统接地抗干扰技术的研究[J].低压电器,2004（6）

[5]谭才彪,PLC控制系统的干扰来源分析和抗干扰设计[J].贵州大学学报（自然科学版）,Vol.23No.1,Feb.2006

[6]FX系列编程手册