伺服電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)器幾種排查方法

　　伺服電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）通常由兩部分組成-電動(dòng)機(jī)自身和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制器（也叫做放大器，伺服驅(qū)動(dòng)器或逆變器），控制器和電動(dòng)機(jī)之間通過電纜連接。控制器接收來自交流電流的功率。伺服電機(jī)具有保持高精度特定位置的反饋電路。這意味著即使沒有運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)仍然處于工作狀態(tài)。

　　變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）具有不同的工作方式-它們的速度由驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率控制。這兩種驅(qū)動(dòng)器之間的共同點(diǎn)在于它們都由脈沖調(diào)制信號(hào)（PWM）驅(qū)動(dòng)。圖1為典型的變頻驅(qū)動(dòng)器設(shè)置框圖。交流電源為變頻控制器饋電，將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)（圖2）加入了位置控制反饋。一種典型的制造和機(jī)器工具少則有一個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器，多則有20個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)器。

　　有許多問題與變頻驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)相關(guān)。我們只關(guān)注部分問題。讀者可以簡單的在搜索引擎上查找變頻驅(qū)動(dòng)器，軸承，過電壓和電磁干擾以了解問題的整個(gè)范圍，并尋求解決方案。

　　脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特性

　　為了減少設(shè)備成本，驅(qū)動(dòng)脈沖逆變器采用快速開關(guān)來驅(qū)動(dòng)脈沖使其具有幾納秒的上升和下降時(shí)間，從而將這些信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到幾兆赫茲。簡單地打開和關(guān)閉流入電機(jī)的電流比產(chǎn)生一個(gè)逐步加大和逐步減小的輸出電壓更為簡單，更便宜和更有效。這些短邊沿驅(qū)動(dòng)脈沖是各種問題的主要來源。如果控制器和電機(jī)之間的連接為適當(dāng)?shù)纳漕l連接，例如，匹配輸入和輸出阻抗，選擇了適當(dāng)?shù)纳漕l等級(jí)電纜和類似設(shè)計(jì)，許多問題都不會(huì)存在。然而，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的目的不是正確傳輸信號(hào)，而是進(jìn)行機(jī)械工作，因此很少考慮其高頻信號(hào)特性。以下是由尖脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)或相關(guān)引起的一些問題（順序與重要性無關(guān)）

　　電動(dòng)機(jī)軸承損毀過電壓和關(guān)聯(lián)絕緣損壞電力線和地線中的高電平傳導(dǎo)電磁干擾地平面中高電平電磁干擾電流引起的電氣過載(EOS)問題來自電纜的高水平輻射電磁干擾機(jī)械噪聲電動(dòng)機(jī)過熱消除伺服電機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)器中的電磁干擾問題

　　電動(dòng)機(jī)軸承損毀

　　讓我們將電動(dòng)機(jī)當(dāng)作一個(gè)電子電路。將邊沿陡的驅(qū)動(dòng)脈沖作用在定子（即電動(dòng)機(jī)底座的感應(yīng)器）上。定子對(duì)轉(zhuǎn)子具有強(qiáng)電容耦合（定子和轉(zhuǎn)子大的金屬表面之間間距很近）。

　　雖然驅(qū)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(qū)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(xiàn)在電動(dòng)機(jī)的高頻電壓與驅(qū)動(dòng)脈沖邊沿同步。這個(gè)電壓反過來會(huì)引起電流通過唯一路徑即從轉(zhuǎn)子到電動(dòng)機(jī)軸承流到地平面。顯示地電流是如何與驅(qū)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)問題。這會(huì)導(dǎo)致軸承中的電流產(chǎn)生電弧放電，從而產(chǎn)生EDM現(xiàn)象-電火花放電?；旧?，電火花一次會(huì)吞噬小片金屬。這種現(xiàn)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(jī)械加工的機(jī)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(xù)，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(jī)上的感應(yīng)電壓很高-高達(dá)上萬伏。

　　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(qū)動(dòng)脈沖和產(chǎn)生的放電每秒在每次電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)發(fā)生上千次，它持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長從而不會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生永久性損壞。最常見的問題之一是軸承凹槽，或稱之為跑道形放電器-見圖X(ABB)。這個(gè)問題會(huì)傳播，最終由于軸承故障造成電動(dòng)機(jī)永久性損壞。這個(gè)問題很常見，并且自身沒有表現(xiàn)出任何會(huì)消除的跡象。

　　脈沖邊沿過電壓

　　如果電動(dòng)機(jī)控制器的輸出阻抗，電動(dòng)機(jī)的輸入阻抗和連接電纜的阻抗完全匹配，那么驅(qū)動(dòng)脈沖完全是方波脈沖。但是，電動(dòng)機(jī)不是射頻設(shè)備，沒人嘗試進(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)引起振鈴和過載。

　　圖6顯示了很輕的振鈴和過電壓情況，雖然很多情況下過電壓很容易就超過正常脈沖幅度的60%。紅線為控制器輸出端的直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)；藍(lán)線為電動(dòng)機(jī)上經(jīng)過3英尺（~1米）電纜的相同信號(hào)。很明顯這個(gè)過電壓和振鈴只會(huì)通過軸承增加地電流。根據(jù)美國能源部【7】:“來自脈寬調(diào)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)，即使過電壓不大”。過電壓不僅會(huì)引起壓筋的損害，還會(huì)壓迫電纜和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部線圈的隔離層，除此以外，還會(huì)引起電壓控制驅(qū)動(dòng)電流損壞，電動(dòng)機(jī)過熱和噪音問題，這還沒包括其他不嚴(yán)重的影響。這個(gè)問題已得到廣泛關(guān)注。IEC/TS60034-25（與IEC/TS60034-17合并）聲明采用標(biāo)準(zhǔn)絕緣的電動(dòng)機(jī)終端的脈沖電壓不能超過1350V。如果電動(dòng)機(jī)終端的脈沖電壓上升時(shí)間低于0.8μs，對(duì)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，NEMAMG1-2014還強(qiáng)調(diào)電磁干擾會(huì)引起軸承損壞和其他問題。

　　設(shè)備的電磁干擾

　　僅關(guān)注電動(dòng)機(jī)損壞或變頻器/伺服電機(jī)上高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)過電壓方面的問題是不夠的。電動(dòng)機(jī)不是單獨(dú)工作的-它們安裝在設(shè)備上，而這些設(shè)備可能對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾敏感。來自驅(qū)動(dòng)器的高頻干擾會(huì)引起：

　　與電磁兼容規(guī)范不兼容干擾電子設(shè)備工作引起測(cè)量誤差和引起傳感器輸出錯(cuò)誤對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生電氣過載（EOS）

　　驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生會(huì)引起對(duì)電源電流消耗的巨大改變，這反過來會(huì)產(chǎn)生高頻傳導(dǎo)發(fā)射，而這種發(fā)射反過來會(huì)返回電源中。在電源上使用電源線濾波器是兼容性設(shè)計(jì)的主要方法，這是大多數(shù)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，目前沒有電磁兼容管理部門控制設(shè)備內(nèi)電磁干擾，因?yàn)榇蠖鄶?shù)管理部門更關(guān)注特定設(shè)備可能怎樣影響到其他設(shè)備的運(yùn)行。不能管理設(shè)備內(nèi)電磁干擾，這使其會(huì)干擾到自身，尤其是當(dāng)用戶或集成商將傳動(dòng)設(shè)備與其它電子設(shè)備集成使用時(shí)。此時(shí)，不同設(shè)備的相互操作就不像一家公司單獨(dú)生產(chǎn)那樣進(jìn)行了嚴(yán)格檢查。

　　大多數(shù)來自驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電磁干擾問題是由驅(qū)動(dòng)脈沖引起，并以來自驅(qū)動(dòng)秒沖尖銳邊沿的輻射發(fā)射干擾，設(shè)備地及設(shè)備框架上噪聲的形式顯現(xiàn)，設(shè)備走線上的感應(yīng)傳導(dǎo)發(fā)射很難濾除。如上所述，通過電動(dòng)機(jī)軸承的地電流會(huì)破壞設(shè)備的整個(gè)地系統(tǒng)，減小數(shù)據(jù)線中的信噪比，改變傳感器中的信號(hào)，導(dǎo)致過程改變，有時(shí)甚至?xí)鹕{情況，如核磁共振中的錯(cuò)誤讀數(shù)。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(shè)備故障。有些驅(qū)動(dòng)電纜和設(shè)備地之間的容性耦合會(huì)引起地噪聲。

　　來自伺服電機(jī)和變頻器中的電磁干擾還可能引起電氣過載。半導(dǎo)體和印刷電路板安裝設(shè)備地之間的大電壓差會(huì)將敏感設(shè)備暴露在電氣過載中，這經(jīng)常引起立即或潛V的損壞，這種損壞會(huì)造成設(shè)備能夠通過生產(chǎn)時(shí)的測(cè)試但在實(shí)際中很快就壞了。具體問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(dǎo)致強(qiáng)電流功率，即使很低的電壓差也會(huì)損壞設(shè)備。IPC-A-610是印刷電路板安裝的最基本標(biāo)準(zhǔn)-限制應(yīng)用到敏感設(shè)備上的電壓，特別是電動(dòng)機(jī)的電磁干擾瞬態(tài)電壓特性會(huì)低至300mV。對(duì)于電子產(chǎn)品，從產(chǎn)量和可靠性方面考慮，EOS越來越重要。

　　由變頻器/伺服電機(jī)引起的電磁干擾測(cè)試

　　你不能控制你無法測(cè)得的東西。這句話很有深意。完全為了電磁兼容目的的交流電源傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試已廣為人知，別處有深入的記載，在此不再重復(fù)。而且，這部分所指的測(cè)試不是常規(guī)的電磁兼容管理部門進(jìn)行的測(cè)試，而是針對(duì)設(shè)備可靠性和操作性的重要內(nèi)容。

　　軸承電流測(cè)試

　　不用說，直接測(cè)試通過旋轉(zhuǎn)軸承的電流至少不是現(xiàn)實(shí)的嘗試。然而，通過測(cè)試驅(qū)動(dòng)信號(hào)回流路徑中的電流是非常相關(guān)的測(cè)試，例如，測(cè)試控制器和電機(jī)地線中的電流。

　　基本前提是通過軸承的電流必須要流回起點(diǎn)-電機(jī)控制器?；芈仿窂酵ㄟ^地線（有時(shí)設(shè)計(jì)成PE-電源地）。雖然有些僅僅是定子繞組和地電機(jī)殼之間的容性高頻電流路徑，它與流過軸承的電流相比微不足道，因此測(cè)試地線中的高頻電流足以估計(jì)流過軸承的電流。這些電機(jī)通常具有三根驅(qū)動(dòng)線，但不排除設(shè)計(jì)了U，V和W，以及地線G，或者有時(shí)設(shè)計(jì)為電源地。地線上的寬帶電流探頭通過軸承返回電流。

　　圖8顯示了通過地線的典型電流，該電流通過Tektronix電流探頭CTI測(cè)得。這個(gè)探頭具有5mV/mA的敏感度。本文中的電流測(cè)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。注意到即使沒有運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)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(yīng)-干擾設(shè)備運(yùn)行和引起電氣過載。

　　在此我們進(jìn)入到讀者必須要注意的安全方面的內(nèi)容，因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)可能具有高電壓（高達(dá)480V）強(qiáng)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環(huán)境中，你應(yīng)該推遲測(cè)試它的連接部分，或者至少經(jīng)過專家的適當(dāng)培訓(xùn)。

　　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(guī)的10：1探頭對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的衰減不足以防止鉗制信號(hào)。如果你設(shè)置示波器的值，你需要將它的輸入設(shè)置為1兆歐而不是50歐姆，因?yàn)楦唠妷汉偷妥杩古浜喜缓?，這點(diǎn)至關(guān)重要。這還可能給信號(hào)引入小的振鈴，但這比損壞示波器要好。

　　在大多數(shù)電機(jī)控制器中，你可能找到標(biāo)記為U，V和W的終端-它們輸出到電機(jī)中。將探頭地和控制器地，探頭尖端及U，V和W終端連接在一起，可能還需要適當(dāng)延長，這取決于終端結(jié)構(gòu)。示波器探頭的地應(yīng)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(shè)置數(shù)次測(cè)量時(shí)間有助于捕捉驅(qū)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(jī)控制器終端上會(huì)出現(xiàn)方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在電機(jī)上的測(cè)試更為難辦，由于終端及一些很難獲取的問題，這看起來經(jīng)常幾乎是不可能辦到的，但如果有設(shè)備專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(jī)的接地端，而不是別的地方，否則測(cè)試結(jié)果會(huì)大大折扣。

　　消除變頻器/伺服電機(jī)的電磁干擾問題

　　最后，以上描述的所有問題都由驅(qū)動(dòng)脈沖的尖銳邊沿所引起。因此，解決此類問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(zhuǎn)子之間的容性耦合成為主要的導(dǎo)電路徑，同時(shí)還能保證電動(dòng)機(jī)的性能。

　　優(yōu)化走線，改變通過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(diào)制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的問題不是一個(gè)新問題，而是廣泛的問題-有很多解決方案，我們將在后述章節(jié)介紹。鑒于這個(gè)問題的廣泛性和它的經(jīng)濟(jì)影響，對(duì)于電動(dòng)機(jī)用戶有很多可用的解決方案，各種方案具有不同的有效性。對(duì)于變頻器和伺服電機(jī)問題的預(yù)防方法就很好-建議用戶在選擇電動(dòng)機(jī)問題解決方案時(shí)注意實(shí)際技術(shù)分析與大量銷售廣告。

　　走線優(yōu)化

　　毋庸置疑，相比長的電纜，短的電動(dòng)機(jī)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(duì)其他導(dǎo)體產(chǎn)生更小的電壓和電流。正確連接的屏蔽（銅網(wǎng)編織）有助于減小來自脈沖邊沿的電磁場(chǎng)。

　　對(duì)于變頻器和伺服電機(jī)有許多特殊制造的電纜?？刂破骱碗妱?dòng)機(jī)之間更好的電纜是那種具有足夠厚度適當(dāng)屏蔽的電纜（銅網(wǎng)編織屏蔽體）。有的電纜各相都具有獨(dú)立的地線，這進(jìn)一步減小了振鈴。不建議用戶使用不是專門用于變頻器的常規(guī)電纜的電纜，因?yàn)檫@可能加劇問題。

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