改善交流伺服系统脉冲接口抗干扰能力

(3)控制器为射极跟随输出形式时的推荐接法

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

：

2010-06-18

16:36:25

今天，伺服系统和CNCPLC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

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
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

是欧美机械设备，比较注意产品的电磁兼容性
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

(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 EMCEMC直译就是电磁兼容性，是ElectroMag netic Compatibility 的缩写。国际电工委员会(IEC)对EMC勺定义是指“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CNCPLG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，

CNC和PLC自身产生的电磁

提高系统的抗干扰性。

电柜设计必须使用金属材料，在电柜设计时，要根据EMC勺区域原则，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。

，不要将380/220VAC和

			ntr 存圖像 an			考	虑
（不正确的安装一接触器吸合时带来的电磁干扰）
2	）	电	源	部	分

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2KVW7.5KW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PLCCNC等,我们建议客户增加一台独立的AC220V空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%勺余量。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DC24VI 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CNC/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咼频干扰。如果仅仅在一一端接地屏蔽，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 。

金属 平 面 要 有 良 好 的 接 地 。D
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 。 DU 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。

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图一正确的接地方式卩

（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，1/0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

100Q，接

。PLC电源线、I/O线、动力线最300mm的距离。模拟量输入/

，降低动力线产生的电磁干扰，

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。

,干扰或多或少、或大或小总是存在的,因此,我们还应该在程序编制中采,万一其对控制系统造成大的干扰,控制系

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

Z轴为液压进给方式，主轴为变频器带动普通的三相异步

[J].石油化工建设，Vol.27 No. 3