伺服電機和變頻驅動器幾種排查方法

　　伺服電機和變頻驅動器（VFD）通常由兩部分組成-電動機自身和驅動電動機的控制器（也叫做放大器，伺服驅動器或逆變器），控制器和電動機之間通過電纜連接。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動，伺服電機仍然處于工作狀態。

　　變頻驅動器（VFD）具有不同的工作方式-它們的速度由驅動信號的頻率控制。這兩種驅動器之間的共同點在于它們都由脈沖調制信號（PWM）驅動。圖1為典型的變頻驅動器設置框圖。交流電源為變頻控制器饋電，將其轉換為脈沖信號驅動電動機。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這樣的驅動器，多則有20個這樣的驅動器。

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

　　脈沖驅動信號的特性

　　為了減少設備成本，驅動脈沖逆變器采用快速開關來驅動脈沖使其具有幾納秒的上升和下降時間，從而將這些信號的頻譜擴展到幾兆赫茲。簡單地打開和關閉流入電機的電流比產生一個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。這些短邊沿驅動脈沖是各種問題的主要來源。如果控制器和電機之間的連接為適當的射頻連接，例如，匹配輸入和輸出阻抗，選擇了適當的射頻等級電纜和類似設計，許多問題都不會存在。然而，設計電動機的目的不是正確傳輸信號，而是進行機械工作，因此很少考慮其高頻信號特性。以下是由尖脈沖驅動信號或相關引起的一些問題（順序與重要性無關）

　　電動機軸承損毀過電壓和關聯絕緣損壞電力線和地線中的高電平傳導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械噪聲電動機過熱消除伺服電機和變頻驅動器中的電磁干擾問題

　　電動機軸承損毀

　　讓我們將電動機當作一個電子電路。將邊沿陡的驅動脈沖作用在定子（即電動機底座的感應器）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-驅動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，現在電動機的高頻電壓與驅動脈沖邊沿同步。這個電壓反過來會引起電流通過唯一路徑即從轉子到電動機軸承流到地平面。顯示地電流是如何與驅動脈沖邊沿完全同步的。

　　軸承鋼珠和軸承底圈之間的連接經常是間斷的，絕緣潤滑油的存在會加劇這個問題。這會導致軸承中的電流產生電弧放電，從而產生EDM現象-電火花放電。基本上，電火花一次會吞噬小片金屬。這種現象廣泛發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，或者麻點引起的不連續，這會產生進一步放電和危害。在軸上低至200mV的電壓也會產生電火花，雖然電動機上的感應電壓很高-高達上萬伏。

　　一旦產生了麻點，它就會成為進一步放電的集中點。由于驅動脈沖和產生的放電每秒在每次電動機運行中會發生上千次，它持續時間不會很長從而不會對軸承產生永久性損壞。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)。這個問題會傳播，最終由于軸承故障造成電動機永久性損壞。這個問題很常見，并且自身沒有表現出任何會消除的跡象。

　　脈沖邊沿過電壓

　　如果電動機控制器的輸出阻抗，電動機的輸入阻抗和連接電纜的阻抗完全匹配，那么驅動脈沖完全是方波脈沖。但是，電動機不是射頻設備，沒人嘗試進行阻抗匹配，而且如果人們嘗試進行匹配它就不能工作了。失配會引起振鈴和過載。

　　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動信號；藍線為電動機上經過3英尺（~1米）電纜的相同信號。很明顯這個過電壓和振鈴只會通過軸承增加地電流。根據美國能源部【7】:“來自脈寬調制變頻器的最快上升脈沖可能會引起有害電流在軸承中流動，即使過電壓不大”。過電壓不僅會引起壓筋的損害，還會壓迫電纜和電動機內部線圈的隔離層，除此以外，還會引起電壓控制驅動電流損壞，電動機過熱和噪音問題，這還沒包括其他不嚴重的影響。這個問題已得到廣泛關注。IEC/TS60034-25（與IEC/TS60034-17合并）聲明采用標準絕緣的電動機終端的脈沖電壓不能超過1350V。如果電動機終端的脈沖電壓上升時間低于0.8μs，對于具有50ns上升/下降時間的脈沖，其容許的脈沖電壓降到900V，NEMAMG1-2014還強調電磁干擾會引起軸承損壞和其他問題。

　　設備的電磁干擾

　　僅關注電動機損壞或變頻器/伺服電機上高頻驅動信號過電壓方面的問題是不夠的。電動機不是單獨工作的-它們安裝在設備上，而這些設備可能對電動機產生的電磁干擾敏感。來自驅動器的高頻干擾會引起：

　　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生電氣過載（EOS）

　　驅動脈沖的產生會引起對電源電流消耗的巨大改變，這反過來會產生高頻傳導發射，而這種發射反過來會返回電源中。在電源上使用電源線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，目前沒有電磁兼容管理部門控制設備內電磁干擾，因為大多數管理部門更關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，這使其會干擾到自身，尤其是當用戶或集成商將傳動設備與其它電子設備集成使用時。此時，不同設備的相互操作就不像一家公司單獨生產那樣進行了嚴格檢查。

　　大多數來自驅動器的內部電磁干擾問題是由驅動脈沖引起，并以來自驅動秒沖尖銳邊沿的輻射發射干擾，設備地及設備框架上噪聲的形式顯現，設備走線上的感應傳導發射很難濾除。如上所述，通過電動機軸承的地電流會破壞設備的整個地系統，減小數據線中的信噪比，改變傳感器中的信號，導致過程改變，有時甚至會引起生命威脅情況，如核磁共振中的錯誤讀數。有的研究表明中性點和地之間低至1V的電壓可能引起設備故障。有些驅動電纜和設備地之間的容性耦合會引起地噪聲。

　　來自伺服電機和變頻器中的電磁干擾還可能引起電氣過載。半導體和印刷電路板安裝設備地之間的大電壓差會將敏感設備暴露在電氣過載中，這經常引起立即或潛V的損壞，這種損壞會造成設備能夠通過生產時的測試但在實際中很快就壞了。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，這會導致強電流功率，即使很低的電壓差也會損壞設備。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，特別是電動機的電磁干擾瞬態電壓特性會低至300mV。對于電子產品，從產量和可靠性方面考慮，EOS越來越重要。

　　由變頻器/伺服電機引起的電磁干擾測試

　　你不能控制你無法測得的東西。這句話很有深意。完全為了電磁兼容目的的交流電源傳導發射測試已廣為人知，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進行的測試，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，直接測試通過旋轉軸承的電流至少不是現實的嘗試。然而，通過測試驅動信號回流路徑中的電流是非常相關的測試，例如，測試控制器和電機地線中的電流。

　　基本前提是通過軸承的電流必須要流回起點-電機控制器。回路路徑通過地線（有時設計成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，它與流過軸承的電流相比微不足道，因此測試地線中的高頻電流足以估計流過軸承的電流。這些電機通常具有三根驅動線，但不排除設計了U，V和W，以及地線G，或者有時設計為電源地。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測得。這個探頭具有5mV/mA的敏感度。本文中的電流測試都按照此方法進行。如圖所示，峰值電流為1.72A-值比較大。這個峰值電流用于10000次/s的軸承。注意到即使沒有運動，伺服電機仍然處于工作狀態-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載。

　　在此我們進入到讀者必須要注意的安全方面的內容，因為驅動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環境中，你應該推遲測試它的連接部分，或者至少經過專家的適當培訓。

　　你需要一個電池供電的示波器，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由于其連接到公共地而產生地回路。而且，注意到常規的10：1探頭對驅動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，這點至關重要。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終端連接在一起，可能還需要適當延長，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。基于示波器設置數次測量時間有助于捕捉驅動脈沖，脈沖上升沿和脈沖下降沿。

　　你可能會期待在高品質電機控制器終端上會出現方波驅動信號。在電機上的測試更為難辦，由于終端及一些很難獲取的問題，這看起來經常幾乎是不可能辦到的，但如果有設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的接地端，而不是別的地方，否則測試結果會大大折扣。

　　消除變頻器/伺服電機的電磁干擾問題

　　最后，以上描述的所有問題都由驅動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，同時還能保證電動機的性能。

　　優化走線，改變通過軸承的電流路徑或者同時阻塞路徑，是一些解決方案。脈寬調制驅動電機的問題不是一個新問題，而是廣泛的問題-有很多解決方案，我們將在后述章節介紹。鑒于這個問題的廣泛性和它的經濟影響，對于電動機用戶有很多可用的解決方案，各種方案具有不同的有效性。對于變頻器和伺服電機問題的預防方法就很好-建議用戶在選擇電動機問題解決方案時注意實際技術分析與大量銷售廣告。

　　走線優化

　　毋庸置疑，相比長的電纜，短的電動機電纜提供更小的振鈴和更少的發射。與其他電纜分離布置的電纜對其他導體產生更小的電壓和電流。正確連接的屏蔽（銅網編織）有助于減小來自脈沖邊沿的電磁場。

　　對于變頻器和伺服電機有許多特殊制造的電纜。控制器和電動機之間更好的電纜是那種具有足夠厚度適當屏蔽的電纜（銅網編織屏蔽體）。有的電纜各相都具有獨立的地線，這進一步減小了振鈴。不建議用戶使用不是專門用于變頻器的常規電纜的電纜，因為這可能加劇問題。

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