ЭМИ фильтры в сервоприводах: смягчение шума для управления точным движением

Вызов EMI в сервоприводах

Сервуары-диски преобразуют мощность линии переменного тока в регулируемое напряжение постоянного тока, затем используйте ШИМ для генерации выходных данных переменных частот для двигателей. Этот процесс представляет два основных типа EMI:

1. Проведенный EMI

• Дифференциальный режим (DM) Шум: потоки между линиями электропередачи (живые/нейтральные) из-за пиков напряжения от переходных процессов.
• Шум общего режима (см): потоки между линиями электропередачи и заземлением посредством паразитных емкостей в МОПЕТАМ/IGBT, трансформаторах или двигательных кабелях.

2. Излучал Эми

Высокочастотные электромагнитные поля, испускаемые из моторных кабелей, радиаторов или печатных плат (ПХБ), которые могут соединиться с близлежащими устройствами (например, ПЛК, HMIS) с помощью эффектов антенны.

Неконтролируемый EMI в сервоприводах приводит к:

• Проблемы с целостностью сигнала: шумоподавление развращает обратную связь с энкодером или аналоговые/цифровые контрольные сигналы, вызывая ошибки джиттера, перехвата или положения.
• Нормативное несоблюдение: нарушения стандартов, таких как EN 61800-3 (EMC для дисков), CISPR 11 (промышленное оборудование) или FCC Part 15 (США).
• Разрушение компонентов: длительное воздействие высокочастотного шумопоставления износа в подшипниках (через токи подшипника) или ущерб чувствительным ИКС.

Как работают фильтры EMI в сервоприводах

EMI -фильтры подавляют проводящий и излученный шум, блокируя, отвлекая или поглощающие помехи. Они обычно расположены на входе (сторона линии) или выход (сторона двигателя), чтобы нацелиться на конкретные пути шума.

1. Фильтры EMI входной стороны

Сосредоточьтесь на ослаблении, проведенном EMI, сгенерированным этапом мощности диска, прежде чем он распространяется в сетку. Ключевые компоненты включают:

• X Конденсаторы (CX): подключены между линией и нейтральным, к шунтированию шума дифференциального режима.
• Y конденсаторы (Cy): подключены между линией/нейтральным и заземляющимся к шунтированию шума.
• Обычные духи (CMC): индукторы с высоким импедансом на частотах переключения для блокировки CM-шума.
• Фильтры LC: серии индукторов и параллельных конденсаторов для ослабления определенных полос частот (например, 10 кГц - 30 МГц).

2. Фильтры EMI на выходной стороне

Адрес шума, генерируемый стадией инвертора и передается на двигатель через длинные кабели. Критические компоненты включают:

• Фильтры DV/DT: уменьшение быстрых переходов напряжения (высокий DV/DT), которые вызывают токи моторного подшипника и изоляционное напряжение.
• Синусоидальные фильтры: преобразовать выходы ШИМ в почти синусоидальные сигналы, минимизируя высокочастотные гармоники и излучение.
• Моторные дроссели: серии индукторов, чтобы ограничить токовые волновые и ослабленные высокочастотные колебания.

Параметры выбора ключей для фильтров EMI в сервоприводах

1. Диапазон частот шума

Сервовики работают на частотах переключения ШИМ, как правило, от 5 до 20 кГц (выше для систем разрешения на микросекундном уровне). Фильтры EMI должны нацелиться:

• Гармоника частоты переключения: первичные пики шума на основополагающей частоте переключения (F_SW) и его мультипликаторах (2F_SW, 3F_SW).
• Частоты боковой полосы: вызванные модуляцией (например, пространственный вектор ШВМ), часто охватывающий 1–30 МГц для проводящего шума.

Пример: сервопривод с F_SW = 8 кГц требует фильтрации до 24 кГц (3 -я гармоника) и 10–50 МГц (излучаемые выбросы).

2. Потеря вставления (IL)

Потеря вставки количественно определяет способность фильтра ослаблять шум. Для сервоприводов:

• Проводил шум: цель IL ≥30 дБ при F_SW и его гармоники (например, ≥30 дБ при 8 кГц, 16 кГц, 24 кГц).
• Излучаемый шум: дополняет экранирование; Фильтры с высоким IL при 10–30 МГц снижают излучаемые выбросы.

Формула:
IL (DB) = 20log10 (VFILTERED VUNFILTERED)

3. Рейтинги напряжения и тока

• Оцененное напряжение: должно превышать пиковое напряжение линии сервопривода (например, системы переменного тока 480 В требуют ≥600 В фильтров с рейтингом).
• Оцененный ток: соответствует максимальному выходному току привода (включая маржу перегрузки). Помещение имеет решающее значение при высоких температурах (например, -20% при 60 ° C).

4. Сопоставление импеданса

• Входная сторона: Фильтры должны представлять высокий импеданс в сетку (низкий импеданс источника), чтобы блокировать впрыск шума.
• Выходная сторона: фильтры на стороне двигателя требуют сопоставления импеданса с входным импедансом двигателя (обычно индуктивным), чтобы избежать резонанса.

5. Общий режим против производительности дифференциального режима

• Доминирование общего режима: сервоприводы часто демонстрируют более сильный шум CM из-за паразитических емкостей в модулях IGBT и автомобильных кабелях. Выберите фильтры с низким импедансом CM (высокое отношение Cy/XC).
• Остаточный шум дифференциального режима: после фильтрации CM остаточный шум DM может потребовать дополнительных X-конденсаторов или ловушек LC.

6. Экологическая и механическая надежность

• Температура/влажность: промышленные сервоприводы работают в средах от -25 ° C до +50 ° C. Выберите фильтры с помощью IP20 (в помещении) к защите IP54 (Dusty).
• Сопротивление вибрации: используйте болтовые терминалы и крепления вибрации (соответствующие IEC 61373) для роботизированных или мобильных приложений.

Дизайн для конкретного приложения

1. Промышленные роботы (компактные сервоприводы)

• Проблемы: пространственные ограничения, высокие частоты переключения (10–20 кГц) и чувствительность к токам.
• Решение: Компактные дроссельные дроссели (CMC) с высоким импедансом (≥10 кОм при 10 кГц) в сочетании с конденсаторами x2/y1. ВЫХОДА DV/DT Фильтры для ограничения пиков напряжения.

2. Машины с ЧПУ (высокие сервоприводы)

• Проблемы: требования к ультра-низкому шуму (THD <1%), жесткое соответствие EMC (EN 61800-3 класс A) и длинные моторные кабели (до 50 м).
• Решение: многоступенчатые фильтры LC (вход) с 3% импедансом и синусоидальными выходными фильтрами для устранения высокочастотных гармоник.

3. автомобильные сборочные линии (тяжелые сервоприводы)

• Проблемы: мощные диски (200 кВт+), суровые электромагнитные среды и высокие температуры окружающей среды.
• Решение: гибридные фильтры (пассивные CMCS + активное шумоподавление) с корпусом IP55 и снижением для работы 60 ° C.

Стандарты и соответствие

Чтобы обеспечить соответствие EMC, фильтры EMI Servo Drive должны соответствовать:

• EN 61800-3: требования EMC для систем электроэнергии с переменной скоростью (проводимые/излучаемые выбросы, иммунитет).
• CISPR 11: Ограничения для группы 1 (промышленное) оборудование (класс A: неограниченная установка; класс B: жилые районы).
• IEC 60034-25: вибрация и ударная сопротивление для вращающейся машины.
• UL 508C: Стандарты безопасности для промышленного управления.

Тестирование и проверка

Проверка после установки обеспечивает эффективность фильтра:

1. Проводили тестирование выбросов (CE): используйте анализатор спектра для измерения шума на линии L/N/GND (EN 55032/CISPR 11).
2. Излучаемые выбросы (Re) тестирование: поведение в анехозной камере для проверки соответствия ограничениям CISPR 11 (30 МГц - 1 ГГц).
3. Анализ моторного тока: проверьте на снижение гармоник (THD <5%) и токи подшипника (через высокочастотные преобразователи тока).
4. Целостность контрольного сигнала: проверка точности обратной связи энкодера (джиттер <100 нс) с помощью анализатора протокола.