概述
了解驱动器上的 EMC
EMC 基础知识
分压器型号
电磁干扰源
来自环境的电磁干扰源
来自驱动系统本身的 EMI 源
电磁干扰耦合通道
电磁干扰受害者
驱动系统EMC 模型
使电机接地、屏蔽相位扼流圈的效果
电源线滤波器的影响
当驱动器集成在电机外壳上时，解决了几个问题
总结
概述
电磁干扰是影响伺服驱动及其周围电气设备的问题，可能会造成一些不便：
- 反馈设备读数不正确会导致控制问题和电机故障。
- 通信问题和数据丢失或同步。
- 干扰伺服驱动系统附近的周围电路。
- 不符合电磁兼容性 （EMC） 标准。
幸运的是，在系统设计阶段(首选)或现场通过简单的操作，理解本文介绍的模型应该允许解决大多数问题EMC问题。本文旨在展示一个理解和解决问题的框架，而不是重复模糊的经验法则，例如连接保护接地，屏蔽电缆或添加铁氧体。
（EMC）它是电气设备和系统在其电磁环境中满意运行的能力，通过限制电磁能量的无意产生、传播和接收，可能导致电磁干扰等不良影响（EMI）甚至在操作设备中造成物理损坏。EMI涉及的三个元素非常重要：
- 受害者
为了干扰对受害者的影响有一个简单实用的模型，可以知道哪个会是诱导效应。它将 - 通道 - 受害者视为分压器。由于大多数问题发生在瞬态和交流信号上，分压器应使用阻抗代替电阻器。为了简单起见，通常不需要 Z 使用复数，而只需使用阻抗和电压的绝对值即可。
地址：
是噪声源的振幅。
是受害电路上的感应电压。
是耦合通道的阻抗。Z应以干扰的基频计算。
是受害者在给定频率下的阻抗。对于纯电阻电路，这个Z就是电阻。对于电容输入 Z = 1 / (2 · π · f · C).
是干扰的基频。
请注意，有时有问题的频率并不明显。例如，电机相位的基本开关频率10 kHz~100 kHz通常不会产生问题。相反，问题来自10 MHz和1 GHz之间的谐波。大多数硬开关信号和晶体也是如此，请始终考虑与跃迁相关的谐波，而不仅仅是主频。
定量地理解这个模型将使接下来指出的许多行动变得清晰。以下是源、频道和受害者的描述：
EMI源是电磁干扰的发生器。它可以是电力电子开关，继电器，电源线浪涌，静电放电（ESD），雷击，射频设备等。
外部干扰源可根据 EMC 标准分为以下几类：
- 静电放电
- 电气快速瞬变
- 潮
- 辐射抗扰度
- 传导抗扰度
- 电压骤降、压降和中断。它通常仅影响交流驱动器。
每个都有一个标准化的测试，这取决于产品类别和环境。另有说明，毅劲伺服驱动器的设计符合 IEC 61800-3：可调速电力驱动系统 - 第 3 部分：EMC 要求和特定测试方法。
伺服驱动器上的EMI源可以来自通信总线，如EtherCAT或CAN，DC/DC转换器或高频时钟。然而。因此，大多数干扰问题都是由伺服驱动器本身产生的，而不是来自安装或环境的其余部分。功率级在设计上是功率级晶体管每次开关期间非常强大的电磁干扰源。开关功率级的发射取决于：
| 直流母线电压 |
应用 |
降低直流母线电压将降低EMI，因为直流母线决定了干扰的幅度。 要确定干扰问题是否来自功率级，实用提示是降低总线电压并检查是否仍在发生。 |
| 相电流 |
应用 |
电流→导的EMI越高。然而，它并不总是与电流值成正比，并且很大程度上取决于电机阻抗。 |
| 峰值频率 |
应用/设计 |
降低PWM频率将降低排放的平均能量。但请注意，单个PWM转换可能足以在数字反馈或通信接口上引起错误。降低PWM频率可能可以通过认证发射限制，但可能不足以避免问题。 请注意，在低电感应用中，低PWM频率会导致过大的电流纹波，从而影响传导发射。 |
| 调制方案 |
设计/应用 |
功率级调制方案和输出电压波形的占空比会对偶数谐波产生重大影响。在低频下，可能与电机速度和应用需求相关的占空比可能会有很大差异。 |
| 功率级开关速度（二/分、分/分） |
设计 |
功率级的设计决定了dV/dt和di/dt，它们与发射干扰的基频相关。通常，更快的晶体管（如GaN fets）具有更高的开关能效（乘积I ·V ·t较小），但频谱扩散到更高的频率（通常在10 MHz至1 GHz）。 相反的是慢速/软开关晶体管以减少EMI，但它与能效（ZVS或ZCS除外）相悖，因为区域I ·切换期间的 V 增加。极端情况是线性功率放大器，其EMI最小，但能效却很差。 毅劲功率级通常设计为具有最高的能效，同时将EMI保持在标准范围内。 |
为了了解功率级产生的频谱，我们可以将相位视为梯形波形，其上升和下降时间非常短，范围从200 ns到5 ns不等，具体取决于功率级技术，工作点和寄生电容。下图显示了梯形波的谐波包络以及如何估计其大小。
虽然这可能违反直觉，但相电压越完美，它携带的高频干扰就越多。例如，带有共模扼流圈的滤波电机相位输出在时域（示波器）中可能看起来更丑陋，但可能导致较少的EMI问题。占空比的变化也会影响频谱。下图显示了20 V幅度和50 kHz的方波的傅里叶合成，具体取决于谐波的数量：
耦合通道是EMI传播到受害者的地方。它可以归纳为4类：，，和。
请注意，许多耦合。例如，从电机电缆到编码器的电感耦合，通过PCB上的导电耦合传输到通信端口，然后通过通信电缆辐射。
下表说明了每个通道以及可以采取哪些操作来缓解它：
| （远场）
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当光源和受害物相距很远（通常超过波长（λ））时，就会发生。源和受害者充当无线电天线：源发射或辐射电磁波，该电磁波在两者之间的空间中传播，并被受害者拾取或接收。 耦合主要取决于电路的频率、几何形状和长度。大多数辐射耦合发生在电缆上，当其长度 is 时，这些电缆会成为最佳天线。 当λ = c / f时，其中λ是以米为单位的波长，f以Hz为单位的频率，c光速≈3·108 m/ s。对于100 MHz信号λ≈3 m，对于1 GHz，λ≈30 cm。 |
，越短越好，因为它将是效率较低的天线。 |
| EMI源，特别是当驱动器未嵌入电机外壳内时，屏蔽电机相位。如果无法屏蔽源头，请屏蔽受害者。 |
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| 专注于和接地。有时，传导干扰会通过电缆及其屏蔽层甚至结构元件辐射。 |
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| 降低将连接到电缆的信号的 dV/dt。对此非常有用。 |
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当源和受累物之间的耦合路径是通过与导电体（例如，电源线、电线、电缆、PCB走线或金属外壳）的直接电接触而形成的时，就会发生。 传导干扰的另一个特点是它在不同导体上的出现方式：
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在信号电路之间使用电流。这直接切断了导电路径。请注意，电源隔离变压器也具有较大的寄生电容，可能无法解决某些EMC问题。 |
| 如果无法隔离，请尽可能接地和电缆长度。 |
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| 具有良好的低阻抗采用厚电缆和接地层（低R和L）。 。 |
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| 在电源输入端使用。这有助于防止传导EMI，并且通常是强制性的，以满足EMC标准。 |
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| （近场）
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当两个平行导体之间存在变化的磁场（通常相距小于波长）时，就会发生或，从而引起沿接收导体的电压变化。 在某种程度上，它可以被理解为变压器，其中初级是EMI源，次级是受害者。 耦合取决于电流变化（）以及源和受害者之间暴露的距离和长度。 |
减少源和受害者。如反馈电缆和电机电缆。 |
| 增加高电流线路与其他信号之间的。 |
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| 将高电流信号路由到其各自的返回路径附近，以。示例： + 和 - 信号。将电机相位打包在一起。 |
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| 规划布线时，请勿将电缆。近场电感耦合是主要因素，会导致布线松动问题。 |
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| （近场）
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当两个相邻导体之间存在变化的电场（通常相距小于一个波长）时，就会发生，从而引起接收导体上的电压变化。 电压变化（）是主要因素。此外，暴露面积和源与受害物之间的距离决定了 典型的电容耦合是长的非屏蔽电机电缆，其反馈并联路由，导致编码器或霍尔传感器计数跳跃。 |
。用自己的GND或PE屏蔽源。用坚固的GND飞机保护受害者。 |
| 增加导体之间的并减少暴露区域。 |
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| 很有用，但只有那些具有低寄生电容且耐受高共模干扰的隔离器或光耦合器才有用。 |
当遇到干扰问题时，大多数人的第一反应是相信信道是辐射的。然而，通常，问题的根源是导电、电感或电容耦合，辐射是次级耦合通道。
EMI受害者是受通过通道耦合的干扰源影响的电路。这是否会产生问题将取决于干扰对受害者的幅度以及这种幅度对接收器造成的影响：数字电平变化，小幅度变化，数据丢失，甚至电路物理损坏。
根据受害者的电路，水平可能会有所不同。下表提到了提高免疫力的几种方法：
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如果接收器是完全差分的，则共模干扰变得不那么重要，就像物理层为RS422或RS485的反馈一样。 |
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| 高滞后鲁棒接收器（如 Ingenia Drives 中使用的接收器）可更好地抑制杂散事件。 |
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| 接收器侧的较低阻抗通过最小化 Z2 来降低大多数 EMC 问题的影响。这并不一定意味着增加低值电阻会增加功耗，有时GND的100 pF电容可以在降低高频下的Z2方面做得很好。 |
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| 箝位保护对于保护输入免受可能损坏输入的瞬态事件的影响是必要的。 |
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| 确保传输线用适当的电阻正确端接（100 Ω~220 Ω）。这有助于避免反射，但也使线条更具免疫力。交流端接（与电容器串联的电阻器）可能非常有效，并且具有降低功率损耗的优点。 |
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| 模拟低通滤波器在抑制高频干扰方面非常有效。但是，这些滤波器不会增加太多的延迟，从而导致运动控制或读取问题。 |
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| 毅劲变频器包括可抑制杂散干扰或不需要的读数的数字滤波器。 |
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| CRC 错误检测可确保来自绝对编码器的数据正确无误。这是 BiSS-C 等协议中包含的容噪声驱动系统的一项基本功能。在SSI的情况下，选择包括CRC的变体作为BP3或Zetlex SSI6。在没有CRC的SSI中，单个错误的位会在驱动系统上产生巨大的毛刺，从而导致机械故障或大电流峰值。 |
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| 格雷编码减少了单个位错误的角度效应。 |
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| 由于某些历史原因，电机上使用的大多数数字霍尔效应传感器都具有开漏或集电极开路输出。这意味着当信号“高”时，它非常容易受到干扰。 强烈建议使用推挽式输出霍尔传感器，因为它们具有更好的抗干扰性和对称延迟。 |
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| 对于开漏霍尔传感器，输入电阻≤1 kΩ将降低阻抗和延迟。 |
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| 由于霍尔传感器通常在最大电机速度下以一定的kHz频率切换，因此很容易针对MHz干扰对其进行过滤。应注意不要滤波过多，并产生相位延迟，导致高速电机换向效率差，从而导致高电流峰值。 |
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| 毅劲驱动器不仅包括模拟滤波，还包括数字滤波器选项，以抑制大厅不必要的转换。 |
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| 施密特触发的输入始终采用高迟滞，以避免不必要的转换。 |
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| 模拟滤波对于避免不正确的测量以及ADC混叠至关重要。 |
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| 差分模拟信号应端接，以使其坚固耐用。电容式端接也提供了良好的结果。 |
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| 模拟信号可以容易产生几mV，以避免使用特定模拟接地的导电噪声问题。 |
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| 每个通信接口具有不同的抗扰度级别，具体取决于物理层和通信层。接口可以按以下顺序从更健壮到最不健壮进行排序：（1）EtherCAT，（2）CANopen，（3）以太网，（4）RS485 / RS422，（5）RS232，（6）UART，（7）SPI / MCB，（8）USB。请注意，确切的顺序可能会因系统而异。 |
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| 始终建议使用电缆屏蔽，特别是当电缆未受导电外壳保护时。 |
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| 通信端口的隔离（这是EtherCAT /以太网固有的）是抗干扰性的决定性因素。使用完全隔离的接口时，连接GND或将通信接口返回电缆屏蔽层非常有用。鲁棒性将最大化，隔离将切断任何接地环路。 |
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| 遵循有关端接电阻器拓扑结构的建议，并使用故障安全接收器或偏置电阻器。 |
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| 必须使用具有奇偶校验、CRC 或其他纠错算法的通信协议。 |
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| 当电源是受害者时，使用差分或公共节点滤波器过滤输入是最佳选择。 |
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| 电源由于其大电容（μF）而相对不受ESD（pF）的影响，但是，它们可能会受到浪涌和EFT的影响。应始终使用高功率电压钳位器件，如TVS二极管和/或压敏电阻。 |
下图显示了一个简化的电气模型，该模型强调了伺服驱动系统中EMC所涉及的主要元素。请注意，在“原理图”或“接线图”上找不到EMC中涉及的许多元素，因为有一个包含寄生元件的替代“不可见”原理图。
电机对驱动系统的整体EMC有很大的影响。其电感和电阻会影响低频谐波，但更重要的是寄生电容，这些电容在每次开关时都会导致不需要的电流峰值：
- 绕组间电容 （Ciw）。这往往是在nF的顺序。这导致相位上出现大电流峰值，这些相位以电感方式耦合到其他电路。
- 绕组至机箱电容 （Cwc）。此外，在nF或pF的顺序中，这会导致机箱的电流峰值，辐射和共模问题。
- 定子-转子电容会导致轴承电流和高压驱动器（不包括在图纸中）的过早失效。
- 电机底盘对地电容很大程度上取决于电机的安装位置（如果电机接地良好，驱动器接地后，此电容可以忽略不计）。
可以推断，即使平均电流为零，每次相位改变其电压时都会发生大电流峰值（以安培为单位）。这些峰值在寄生电路（如电缆电感和寄生电容）之间振荡和共振，并导致许多EMC问题。事实上，它们可以通过电机电缆或电机底盘本身进行辐射。
下面解释了为什么每个安装手册上重复的建议都非常有用。
解决伺服驱动器上大多数排放问题的主要方法是以下组合：
| 将电机机箱接地并在电机机箱和驱动器机箱/电源接地之间提供良好的低阻抗（）是非常有效的。这允许在小区域内将干扰返回到源。如果为了电气安全无法直接连接到GND_P，则可以通过去耦电容器（包含在许多毅劲驱动器中）进行连接。这种单机箱连接可能比输入线路滤波器更有效。如果电机和驱动器在物理上接近，则可以使用电机本身的结构进行连接，而无需额外的电缆。 |
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| （接地）具有非常低的电阻和电感，如果存在共模电流，则会降低共模电压。这可以防止连接到其他参考点的通信接口和设备出现问题。有时接地层可以是系统的散热器或执行器的结构。 |
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| 添加一个电机，使其尽可能靠近驱动器。这将限制di/dt和dV/dt，因为它增加了高频下的阻抗，同时允许低频电流自由通过。有几种共模扼流圈类型，其中一些可以安装在接口板上或电缆上安装。有许多材料，纳米晶铁氧体非常有效。请参阅产品手册，了解合适的铁氧体。。这将以磁力耦合到对地的干扰，放大它。 |
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| （在扼流圈之后），以最大限度地减少电容耦合和辐射发射。虽然这在电机集成伺服驱动器上不是必需的，但对于驱动器和电机分开的任何系统来说，这是必须的。 |
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| ，并使其与其他信号分离，以最大限度地减少磁耦合。避免相线扩散或不受控制，因为磁场取决于相之间的面积。请注意，电缆屏蔽层不能有效地屏蔽磁场。 |
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| 在需要极低EMI的系统中，具有非常长的电机电缆，在相位附近有其他信号，有时需要添加无源“LC”dv/dt滤波器。此选项可以消除高于切断频率的频率，但是，应谨慎实施，因为它对伺服驱动系统有许多缺点，例如LC谐振导致“新”EMI峰值，电压过冲超过安全水平，较慢的控制导致性能和延迟损失，电流读数问题。 |
低 EMI 解决方案示例。
由于电力驱动系统固有的噪声特性，当应满足水平时，通常需要线路滤波器。在某些情况下，传导EMI会受到辐射并导致。通常需要结合使用差分滤波器和。当各种驱动器关闭时，线路滤波器可以在具有公共直流总线的各种驱动器之间共享。
| 微分 |
直流母线电流的纹波起源于较低频率（PWM和一次谐波），与换向、电机电气特性、应用电流等有关。 |
直流母线上的LC π滤波器（电容器 - 电感器 - 电容器）通常是消除这种纹波的最有效方法。在伺服驱动器上，建议使用大电容的滤波器（大约100μF），以允许再生制动，而具有相当小值的电感器以制造二阶低通滤波器。 |
| 共模 |
驱动器上的电容耦合和电机本身对地。功率元件与系统其他部分的电感耦合。高频开关谐波。 |
首先，应用上面指示的点：电机扼流圈，接地，可以屏蔽的短电机电缆。然后，带有共模滤波器的线路滤波器将完成这项工作。通常，单级或双级滤波器就足够了。 如果问题出在较高频率的辐射上，则可能需要扼流圈。 |
为了量化传导发射，它们使用LISN（线路阻抗稳定网络）进行测量，将电源纹波电流“转换”为交流耦合到频谱分析仪的电压。虽然这种LISN从未在电力驱动系统上找到过，但由于它是EMC实验室设备，因此此处包含它是为了从电气上阐明滤波器如何减少排放。利用电容器使纹波和高频路径短路，同时将其阻断为电感元件。
关于线路过滤的一些有趣点：
- 滤波器应靠近干扰源（伺服驱动器），如果它们位于接地良好的电路板或机柜上，则可以在各种驱动器之间共享。
- 为避免电源电缆的辐射，请扭曲它们并尽量减少它们之间的区域。
- 在电源完全隔离的某些情况下，可以在单个点上将GND_P连接到地球。这大大减少了传导发射，但可能会产生副作用，如接地电流、安全问题和对瞬变的抗扰度降低。
- 一些系统没有传导发射要求，可以避免使用滤波器以减轻重量和成本。但是，请注意不要从电源电缆辐射问题。
- 始终按照先前有关扼流圈、PE 接线和相位屏蔽的建议调整滤波器的尺寸。这将允许使用较小的过滤器。
当伺服驱动器集成到电机中时，开关干扰被封闭在充当法拉第保持架的底盘上。布线长度最小化，耦合和发射线可以在受控环境中处理，而不依赖于最终应用布线和安装以及安装人员的EMC技能。这可以使用小型模块化伺服驱动器来实现。
- EMC 不仅仅是通过认证。它确保系统坚固耐用，并且不会对附近的设备造成问题。
- 对EMC有很好的了解，并在最初的系统设计阶段应用它，就能在大多数问题出现之前就解决它们。
- 牢记源通道受害者框架对于解决这些问题非常实用。EMI思维模式超越了“pdf接线图”，并试图找到源和受害者之间的寄生耦合路径。然而，有时需要使用示波器，频谱分析仪来测量正在发生的事情。
- 当面临干扰发射问题：电机相位的切换，并检查是否应用了短电机电缆的“经验法则”，接地良好，屏蔽相位，并使用电机扼流圈。在100%清楚之后，继续进行其他不太可能的假设。
- 如果反馈受到干扰，请考虑数字滤波，因为它具有最低的成本并且可以快速应用。如果可能，请选择具有差分接口和CRC的鲁棒反馈。
- 将驱动器靠近电机，如果可能的话，在机箱内可以解决伺服驱动器中遇到的大多数EMC问题，从而最大限度地提高通过EMC认证的机会，并以最低的成本和最大的简单性完成所有工作。