伺服電機和變頻驅動(dòng)器（VFD）通常由兩部分組成-電動(dòng)機自身和驅動(dòng)電動(dòng)機的控制器（也叫做放大器，伺服驅動(dòng)器或逆變器），控制器和電動(dòng)機之間通過(guò)電纜連接?？刂破鹘邮諄?lái)自交流電流的功率。伺服電機具有保持高精度特定位置的反饋電路。這意味著(zhù)即使沒(méi)有運動(dòng)，伺服電機仍然處于工作狀態(tài)。變頻驅動(dòng)器（VFD）具有不同的工作方式-它們的速度由驅動(dòng)信號的頻率控制。這兩種驅動(dòng)器之間的共同點(diǎn)在于它們都由脈沖調制信號（PWM）驅動(dòng)。圖1為典型的變頻驅動(dòng)器設置框圖。交流電源為變頻控制器饋電，將其轉換為脈沖信號驅動(dòng)電動(dòng)機。伺服電機（圖2）加入了位置控制反饋。一種典型的制造和機器工具少則有一個(gè)這樣的驅動(dòng)器，多則有20個(gè)這樣的驅動(dòng)器。有許多問(wèn)題與變頻驅動(dòng)器和伺服電機相關(guān)。我們只關(guān)注部分問(wèn)題。讀者可以簡(jiǎn)單的在搜索引擎上查找變頻驅動(dòng)器，軸承，過(guò)電壓和電磁干擾以了解問(wèn)題的整個(gè)范圍，并尋求解決方案以下章節我們將逐一考慮上述內容，并討論解決這些問(wèn)題的方法。電動(dòng)機軸承損毀 讓我們將電動(dòng)機當作一個(gè)電子電路。將邊沿陡的驅動(dòng)脈沖作用在定子（即電動(dòng)機底座的感應器）上。定子對轉子具有強電容耦合（定子和轉子大的金屬表面之間間距很近）。雖然驅動(dòng)脈沖的自身頻率非常低-通常不高于20KHz，并且不是考慮的重點(diǎn)-驅動(dòng)脈沖的尖銳邊沿的高頻成分從容性耦合中得到的阻抗很小，現在電動(dòng)機的高頻電壓與驅動(dòng)脈沖邊沿同步。這個(gè)電壓反過(guò)來(lái)會(huì )引起電流通過(guò)唯一路徑即從轉子到電動(dòng)機軸承流到地平面。圖4顯示地電流是如何與驅動(dòng)脈沖邊沿完全同步的。軸承鋼珠和軸承底圈之間的連接經(jīng)常是間斷的，絕緣潤滑油的存在會(huì )加劇這個(gè)問(wèn)題。這會(huì )導致軸承中的電流產(chǎn)生電弧放電，從而產(chǎn)生EDM現象-電火花放電?；旧?，電火花一次會(huì )吞噬小片金屬。這種現象廣泛發(fā)生在其他難以加工的金屬部件上，這些金屬部件具有球形軸承，而金屬機械加工的機制基本相同。然而，目的和輸出卻大相徑庭。電火花在軸承中引起的EDM起源于小的弧坑，或者麻點(diǎn)引起的不連續，這會(huì )產(chǎn)生進(jìn)一步放電和危害。在軸上低至200mV的電壓也會(huì )產(chǎn)生電火花，雖然電動(dòng)機上的感應電壓很高-高達上萬(wàn)伏。一旦產(chǎn)生了麻點(diǎn)，它就會(huì )成為進(jìn)一步放電的集中點(diǎn)。由于驅動(dòng)脈沖和產(chǎn)生的放電每秒在每次電動(dòng)機運行中會(huì )發(fā)生上千次(見(jiàn)圖5)，它持續時(shí)間不會(huì )很長(cháng)從而不會(huì )對軸承產(chǎn)生永久性損壞。最常見(jiàn)的問(wèn)題之一是軸承凹槽，或稱(chēng)之為跑道形放電器-見(jiàn)圖X(ABB)。這個(gè)問(wèn)題會(huì )傳播，最終由于軸承故障造成電動(dòng)機永久性損壞。這個(gè)問(wèn)題很常見(jiàn)，并且自身沒(méi)有表現出任何會(huì )消除的跡象   脈沖邊沿過(guò)電壓如果電動(dòng)機控制器的輸出阻抗，電動(dòng)機的輸入阻抗和連接電纜的阻抗完全匹配，那么驅動(dòng)脈沖完全是方波脈沖。但是，電動(dòng)機不是射頻設備，沒(méi)人嘗試進(jìn)行阻抗匹配，而且如果人們嘗試進(jìn)行匹配它就不能工作了。失配會(huì )引起振鈴和過(guò)載。圖6顯示了很輕的振鈴和過(guò)電壓情況，雖然很多情況下過(guò)電壓很容易就超過(guò)正常脈沖幅度的60%。紅線(xiàn)為控制器輸出端的直接驅動(dòng)信號；藍線(xiàn)為電動(dòng)機上經(jīng)過(guò)3英尺（~1米）電纜的相同信號。很明顯這個(gè)過(guò)電壓和振鈴只會(huì )通過(guò)軸承增加地電流。根據美國能源部【7】“來(lái)自脈寬調制變頻器的最快上升脈沖可能會(huì )引起有害電流在軸承中流動(dòng)，即使過(guò)電壓不大”。過(guò)電壓不僅會(huì )引起壓筋的損害，還會(huì )壓迫電纜和電動(dòng)機內部線(xiàn)圈的隔離層，除此以外，還會(huì )引起電壓控制驅動(dòng)電流損壞，電動(dòng)機過(guò)熱和噪音問(wèn)題，這還沒(méi)包括其他不嚴重的影響。這個(gè)問(wèn)題已得到廣泛關(guān)注。IEC/TS60034-25（與IEC/TS60034-17合并）聲明采用標準絕緣的電動(dòng)機終端的脈沖電壓不能超過(guò)1350V。如果電動(dòng)機終端的脈沖電壓上升時(shí)間低于0.8μs，對于具有50ns上升/下降時(shí)間的脈沖，其容許的脈沖電壓降到900V，如圖3所示。NEMAMG1-2014還強調電磁干擾會(huì )引起軸承損壞和其他問(wèn)題。設備的電磁干擾僅關(guān)注電動(dòng)機損壞或變頻器/伺服電機上高頻驅動(dòng)信號過(guò)電壓方面的問(wèn)題是不夠的。電動(dòng)機不是單獨工作的-它們安裝在設備上，而這些設備可能對電動(dòng)機產(chǎn)生的電磁干擾敏感。來(lái)自驅動(dòng)器的高頻干擾會(huì )引起：與電磁兼容規范不兼容干擾電子設備工作引起測量誤差和引起傳感器輸出錯誤對敏感設備產(chǎn)生電氣過(guò)載（EOS）驅動(dòng)脈沖的產(chǎn)生會(huì )引起對電源電流消耗的巨大改變，這反過(guò)來(lái)會(huì )產(chǎn)生高頻傳導發(fā)射，而這種發(fā)射反過(guò)來(lái)會(huì )返回電源中。在電源上使用電源線(xiàn)濾波器是兼容性設計的主要方法，這是大多數伺服/變頻制造商推薦的方案。這有助于取得電磁兼容性。然而，目前沒(méi)有電磁兼容管理部門(mén)控制設備內電磁干擾，因為大多數管理部門(mén)更關(guān)注特定設備可能怎樣影響到其他設備的運行。不能管理設備內電磁干擾，這使其會(huì )干擾到自身，尤其是當用戶(hù)或集成商將傳動(dòng)設備與其它電子設備集成使用時(shí)。此時(shí)，不同設備的相互操作就不像一家公司單獨生產(chǎn)那樣進(jìn)行了嚴格檢查。大多數來(lái)自驅動(dòng)器的內部電磁干擾問(wèn)題是由驅動(dòng)脈沖引起，并以來(lái)自驅動(dòng)秒沖尖銳邊沿的輻射發(fā)射干擾，設備地及設備框架上噪聲的形式顯現，設備走線(xiàn)上的感應傳導發(fā)射很難濾除。如上所述，通過(guò)電動(dòng)機軸承的地電流會(huì )破壞設備的整個(gè)地系統，減小數據線(xiàn)中的信噪比，改變傳感器中的信號，導致過(guò)程改變，有時(shí)甚至會(huì )引起生命威脅情況，如核磁共振中的錯誤讀數。有的研究表明中性點(diǎn)和地之間低至1V的電壓可能引起設備故障。有些驅動(dòng)電纜和設備地之間的容性耦合會(huì )引起地噪聲。來(lái)自伺服電機和變頻器中的電磁干擾還可能引起電氣過(guò)載。半導體和印刷電路板安裝設備 地之間的大電壓差會(huì )將敏感設備暴露在電氣過(guò)載中，這經(jīng)常引起立即或潛V的損壞，這種損壞會(huì )造成設備能夠通過(guò)生產(chǎn)時(shí)的測試但在實(shí)際中很快就壞了。具體問(wèn)題就是地平面上的電磁干擾電壓具有很低的輸出阻抗，這會(huì )導致強電流功率，即使很低的電壓差也會(huì )損壞設備。IPC-A-610是印刷電路板安裝的最基本標準-限制應用到敏感設備上的電壓，特別是電動(dòng)機的電磁干擾瞬態(tài)電壓特性會(huì )低至300mV。對于電子產(chǎn)品，從產(chǎn)量和可靠性方面考慮，EOS越來(lái)越重要。由變頻器/伺服電機引起的電磁干擾測試你不能控制你無(wú)法測得的東西。這句話(huà)很有深意。完全為了電磁兼容目的的交流電源傳導發(fā)射測試已廣為人知，別處有深入的記載，在此不再重復。而且，這部分所指的測試不是常規的電磁兼容管理部門(mén)進(jìn)行的測試，而是針對設備可靠性和操作性的重要內容。軸承電流測試不用說(shuō)，直接測試通過(guò)旋轉軸承的電流至少不是現實(shí)的嘗試。然而，通過(guò)測試驅動(dòng)信號回流路徑中的電流是非常相關(guān)的測試，例如，測試控制器和電機地線(xiàn)中的電流，如圖7所示?；厩疤崾峭ㄟ^(guò)軸承的電流必須要流回起點(diǎn)-電機控制器?；芈仿窂酵ㄟ^(guò)地線(xiàn)（有時(shí)設計成PE-電源地）。雖然有些僅僅是定子繞組和地電機殼之間的容性高頻電流路徑，它與流過(guò)軸承的電流相比微不足道，因此測試地線(xiàn)中的高頻電流足以估計流過(guò)軸承的電流。圖7顯示了基本設置，該設置可用于伺服電機和變頻器。這些電機通常具有三根驅動(dòng)線(xiàn)，但不排除設計了U，V和W，以及地線(xiàn)G，或者有時(shí)設計為電源地。地線(xiàn)上的寬帶電流探頭通過(guò)軸承返回電流。圖8顯示了通過(guò)地線(xiàn)的典型電流，該電流通過(guò)Tektronix電流探頭CTI測得。這個(gè)探頭具有5mV/mA的敏感度。本文中的電流測試都按照此方法進(jìn)行。如圖所示，峰值電流為1.72A-值比較大。這個(gè)峰值電流用于10000次/s的軸承。注意到即使沒(méi)有運動(dòng)，伺服電機仍然處于工作狀態(tài)-僅僅保持它的位置。不足為奇，它可能造成軸承的損壞，以及其他一些不想要的效應-干擾設備運行和引起電氣過(guò)載在此我們進(jìn)入到讀者必須要注意的安全方面的內容，因為驅動(dòng)信號可能具有高電壓（高達480V）強電流功率。暴露在這樣的電壓中可能引起傷害或死亡。如果你不熟悉工作在高壓線(xiàn)環(huán)境中，你應該推遲測試它的連接部分，或者至少經(jīng)過(guò)專(zhuān)家的適當培訓。你需要一個(gè)電池供電的示波器，其帶寬至少為200MHz（更高的帶寬沒(méi)有任何好處），以及一個(gè)100：1的高電壓示波器探頭。注意不可以使用頻譜儀，交流供電的示波器會(huì )由于其連接到公共地而產(chǎn)生地回路。而且，注意到常規的10：1探頭對驅動(dòng)信號的衰減不足以防止鉗制信號。如果你設置示波器的值，你需要將它的輸入設置為1兆歐而不是50歐姆，因為高電壓和低阻抗配合不好，這點(diǎn)至關(guān)重要。這還可能給信號引入小的振鈴，但這比損壞示波器要好。在大多數電機控制器中，你可能找到標記為U，V和W的終端-它們輸出到電機中。將探頭地和控制器地，探頭尖端及U，V和W終端（圖9）連接在一起，可能還需要適當延長(cháng)，這取決于終端結構。示波器探頭的地應該連接到控制器地的終端，控制器地終端緊鄰U，V和W終端?；谑静ㄆ髟O置數次測量時(shí)間有助于捕捉驅動(dòng)脈沖，脈沖上升沿和脈沖下降沿。你可能會(huì )期待在高品質(zhì)電機控制器終端上會(huì )出現方波驅動(dòng)信號。在電機上的測試更為難辦，由于終端及一些很難獲取的問(wèn)題，這看起來(lái)經(jīng)常幾乎是不可能辦到的，但如果有設備專(zhuān)家的幫助這也許可能辦到。確保示波器探頭的地夾連接到電機的接地端，而不是別的地方，否則測試結果會(huì )大大折扣。消除變頻器/伺服電機的電磁干擾問(wèn)題最后，以上描述的所有問(wèn)題都由驅動(dòng)脈沖的尖銳邊沿所引起。因此，解決此類(lèi)問(wèn)題需要改變脈沖邊沿以便上升和下降時(shí)間都足夠慢，以免定子和轉子之間的容性耦合成為主要的導電路徑，同時(shí)還能保證電動(dòng)機的性能。優(yōu)化走線(xiàn)，改變通過(guò)軸承的電流路徑或者同時(shí)阻塞路徑，是一些解決方案。脈寬調制驅動(dòng)電機的問(wèn)題不是一個(gè)新問(wèn)題，而是廣泛的問(wèn)題-有很多解決方案，我們將在后述章節介紹。鑒于這個(gè)問(wèn)題的廣泛性和它的經(jīng)濟影響，對于電動(dòng)機用戶(hù)有很多可用的解決方案，各種方案具有不同的有效性。對于變頻器和伺服電機問(wèn)題的預防方法就很好-建議用戶(hù)在選擇電動(dòng)機問(wèn)題解決方案時(shí)注意實(shí)際技術(shù)分析與大量銷(xiāo)售廣告。走線(xiàn)優(yōu)化毋庸置疑，相比長(cháng)的電纜，短的電動(dòng)機電纜提供更小的振鈴和更少的發(fā)射。與其他電纜分離布置的電纜對其他導體產(chǎn)生更小的電壓和電流。正確連接的屏蔽（銅網(wǎng)編織）有助于減小來(lái)自脈沖邊沿的電磁場(chǎng)。對于變頻器和伺服電機有許多特殊制造的電纜?？刂破骱碗妱?dòng)機之間更好的電纜是那種具有足夠厚度適當屏蔽的電纜（銅網(wǎng)編織屏蔽體）。有的電纜各相都具有獨立的地線(xiàn)，這進(jìn)一步減小了振鈴。不建議用戶(hù)使用不是專(zhuān)門(mén)用于變頻器的常規電纜的電纜，因為這可能加劇問(wèn)題。聲明：本文為轉載類(lèi)文章，如涉及版權問(wèn)題，請及時(shí)聯(lián)系我們刪除（QQ: 229085487），不便之處，敬請諒解！