机电一体化系统中的电磁兼容性问题
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电磁兼容性的重要性不仅由于机电一体化系统本身是 “弱电”和“强电”交织在一起的, 还由于它所工作的环境是工 业生产现场, 如钢铁厂、石油化工厂、机械制造厂、航空港等, 这些地方都有严酷的电磁环境。 同时, 系统内的信号处理器 件, 如: 传感器、变送器和传输线等, 其灵敏度愈高, 对电磁干 扰的敏感性 (Susceptibility ) 也愈高, 这又是矛盾的, 也是所 不期望的。
参考文献
1 张松春等. 电子控制设备抗干扰技术及其应用. 机械工业出版社, 1995.
2 靳小桂, 王永强. 现场总线最新进展. 化工自动化及仪表,1994, (4) :3～ 81
3 Hothen D. M. How to handle power line transients . Instruments and Control System ,1978, (12) :23 ～ 261
当地完成。现场总线就是通过总线的形式把现场 所采集到的数据 (已经转换成数字信号) 实现与 上一级计算机或计算机网络的通信。这样不仅提 高了系统的电磁兼容性, 也使系统的可靠性进一 步提高, 同时也节约了传输线费用。 如果传输线 介质使用光缆, 将会使系统的电磁兼容性更加完 备, 这是应当尽力采用的好方法。
A Fuzzy Controller for Friction Compensation in Servo Sys-
tem
Huang Jin Ye Shanghui Chen Qichang
(Xidian University , Xian , China ) P27 Abstract A fuzzy contorller based on auto 2tuning scal2
扰限制在一定的范围内, 不可能也没有必要将其完全消除。
因此, 还是要采取必须的措施进一步限制变频器对信号系统
的干扰。
变频器对电磁环境的
影响主要通过 4 个渠道 (图
2)。第一是变频器产生的各
图 1
次谐波回馈给电网并直接 传给挂在同一电网上
的所有设备 (图 2①) ;
第二是这些谐波通过
电网产生的电磁辐射
在空间上分布很
广的机电一体化系
统, 传 输 线 路 是 最 易
发生问题的环节。 元
器件供应商并不能保
证这方面的电磁兼容
性。 传输线路引发的
电磁兼容性问题完全
依靠现场技术人员的
图 4
经验和分析能力来解决, 这就具有很大的不确定性因素。 目 前的发展趋势是现场仪表的智能化和数据的现场总线传输。 现场仪表的智能化主要是在变送器这一级把所有模拟量转 换成数字量, 并且使一些控制作用、自诊断、报警等功能也在
corralation recurrence and y axis corralation recurrence
models and the weight index effecting fitting precision are pointed out. Then , the factors what influence the surface shape and fitting presion are discussed. Key words Free 2form surface Reverse engineering Two 2direction correlation recurrence model
《机械设计与研究》1999 No. 1
机电一体化系统中的电磁兼容性问题
上海交通大学 (上海·200030 ) 冯正进 刘 利 中国航空油料华东公司 李行国
摘要 本文讨论了机电一体化系统的电磁兼容性问题。 正确接地是解决系统电磁兼容性的主要手段。合理地处理屏 蔽所产生的寄生电容对改善电磁兼容性有重要意义。现场总 线及光缆传输是解决电磁兼容性的一个发展方向。
最新消息
本刊 1999 年已进入 E I Page One 。欢迎踊跃来 稿。 本刊 2000 年将改为双月刊。
— 13—
《机械设计与研究》1999 No. 1
method , free 2form surfaces can be reconstructed from arbi 2 trarily distributed datapoints with correlation recurrence model by microcomputers . Distribution of the data points ef2 fects the surface shape of every position in the control area ,
4b 所示。 可见 C30构成了一个正反馈回路, 即使很弱的电磁 干扰将通过 C30耦合到输入端, 放大作用不断进行, 大大增强 了干扰的作用。事实上, 原系统为一家外国公司所设计, 投入
运行后, 干扰常常使系统无法正常工作。经过分析, 我们将信
号公共零线与金属盒子相接, 消除了 C30引起的正反馈作用。 同时, 将传输线的屏蔽层在近计算机一端接地, 取得了良好
1 电磁兼容性
电磁兼容性 EMC (Electromagnetic Compatibility ) , 根 据国家标准 GB T 13926 ·9 (与国际标准 IEC801-1 等效) 的定义是, 装置能在规定的电磁环境中正常工作而不对该环 境或其它设备造成不允许的扰动的能力。 通俗地说, 就是一 个装置在电磁干扰环境中正常工作的适应能力。对机电一体 化系统来说, 从设计开始就要从两方面考虑电磁兼容性问 题。 一是系统中的元器件本身要有足够的抗干扰能力; 二是 这些器件不产生或在一定范围内不产生对环境的电磁污染。 事实上, 就是在系统设计时全面地考虑了上述两个问题, 在 施工现场还是不可避免地碰到许多问题。
在工业生产现场, 各种设备都处于一定的物理环境之 中。例如: 压力、温度、湿度、声和光等。这些物理环境容易被 人注意。 但是, 机电一体化系统的电子设备对电磁量十分敏
— 03—
感。“信号”与电磁干扰共存是机电一体化系统的基本环境。 这也是我们研究设计机电一体化系统时必须考虑的基本事 实。 我们的任务并不是完全消除干扰, 而是要设法使系统中 的“信号”不被干扰所“淹没”, 使其能有效地“生存”于电磁干 扰环境之中, 即具有“兼容性”。
频器供电的离心油泵电动机是“强电”部份; 传感器、变送器、 传输线和计算机网络系统是“弱电”部份。 在空间上, 两者通
过电磁场不可避免地交织在一起。 这里要特别指出的是, 系
统中功率为 132kW 的变频器是一个强大的电磁干扰源。 虽 然, 变频器制造商已经取得了电磁兼容性方面的许可证。 但
使用者要有一个明确的概念: 任何许可仅仅意味着将电磁干
入、输出端分别加装电力滤波器, 限制各次谐波进入电力传
输线。一般, 变频器制造商都提供配套产品供选择, 但价格较
《机械设计与研究》1999 No. 1
贵。也可以考虑用电与抗器代之。其二是采用铠装四芯电力 电缆, 将铠装金属护套及中线在电力变压器副方和电动机端 良好接地。 这是安全接地, 但也起到了对电磁辐射屏蔽作用 (图 3)。这种屏蔽是将干扰源与外界隔离, 称为“主动屏蔽”。
最后应当指出, 如果系统中有大功率开关器 件 (如大功率变频器) , 并且与系统中其它设备共用同一电 网, 则其它所有设备必须采用隔离电源供电, 特别是各级计 算机网络。 否则, 将带来许多不必要的麻烦。
3 结论
机电一体化使机械系统发生了深刻的变化, 只有解决好 电磁兼容性问题才能使其发挥作用。我们在虹桥国际机场喷 气燃料自动化工程实践中的以上认识, 可归结为以下三点:
6 Olson G. G. Applications of an optical multichannel analyzer. American Labaratory ,1972.
冯正进 男,1938 年 3 月生, 教授, 主要从事机电控制 研究、教学、科研, 发表论文 30 篇, 科研获奖 3 项。
关键词 电磁兼容性 接地 屏蔽 中国图书资料分类法分类号 TP 273
0 引 言
80 年代以来, 由于控制技术、计算机技术、通信技术的 迅速发展, 使机电控制系统发生了革命性的变化。“机电一体 化”(Mechatonics ) 概念的提出就是机械系统信息化的一个 标志。就机电一体化系统而言, 在所涉及对象的多样性方面, 在分布空间的广度方向, 在控制作用的智能化程度方面, 在 控制功率的不断增大方面, 都达到了前所未有的水平。 也就 是说, 现代的机电一体化系统是一个“弱电”(信息流) 和“强 电”(能量流) 相混合的系统。因此, 系统本身及在其中工作的 器件的电磁兼容性就愈来愈成为系统设计、制造和调试的棘 手问题。可以毫不夸张地说, 不解决好电磁兼容性问题, 就谈 不上机电一体化系统的正常工作。
(图 2②) ; 第三是变频 器本身产生的电磁辐
射 (图 2③) ; 第四是变
频器与电动Leabharlann Baidu之间的
电缆产生的电磁辐射
图 2
(图 2④)。对变频器本 身 产 生 的 电 磁 辐 射,
由于制造商已经将其限制在较低的水平, 又可以将变频器安
装于金属柜内, 有可能把辐射屏蔽。 对于电网和变频器输出
电缆产生的辐射可以用两个方法来解决, 其一是在变频器输
4 Anders R. Interference problems or electronic control equipment . Electra ,1982 (83) :73 ～ 761
5 Morrison R. Answers to grounding and shielding problems prac 2 tical advice on handling electrical noise. Instruments and control System ,1979, (6) :35 ～ 381
图 3
上述“主动屏蔽”防止变频器的电磁辐射尽可能不向空
间泄漏, 但由于接地电阻的存在, 要完全消除是很困难的。因 此, 在系统的弱电部份还要采取抗干扰的措施。
在机电一体化系统中, 有许多传感器和变送器, 其中的 放大器对电磁干扰特别敏感。图 4a 为一流量变送器框图。其 中 IC 为放大电路芯片; a、b 为接流量传感器的输入端; c、d 为接计算机系统的输出端; 共装于金属盒子内。图 4a 的接法 相对金属盒子是浮空的。C10、C20和 C30分别为输入端、输出端 和公共零线相对于金属盒子的寄生电容。 其等效电路如图
the degree of influence depends on the distance between the data point and the position . The surface shape at each posi 2 tion is determined by the sum of influence values. The x axis
(1) 在机电一体化系统的设计、器件选择和施工各阶段 都要兼顾电磁兼容性方面的要求。
(2) 大功率开关器件是干扰源, 对其进行屏蔽是限制其 电磁干扰的泄漏, 对信号系统的屏蔽是防止干扰的侵入。 正 确的接地是屏蔽发生作用的条件, 特别要注意一些起不良作 用的寄生电容。
(3) 智能化现场仪表和现场总线的采用对提高系统的电 磁兼容性有重要意义, 是发展的方向。
2 一个工程实例
上海虹桥国际机场喷气燃料自动化工程是一个典型的
机电一体化系统。 它由分布于几万平方米内的各种传感器、
变送器、传输线、计算机网络、电动阀门和由变频器调速的 5
台 110kW 电动离心油泵等组成。从电磁兼容性角度看, 整个 系统可分成两大部分 (图 1)。电网 (用户电力变压器) 和由变
的效果。 可见不接地的金属盒子并不能起到屏蔽作用, 反而
形成一个正反馈的耦
合电容。 这一点在施
工 中 是 十 分 重 要 的。
一般来说, 所有的信
号传输线都应当选用
良 好 的 屏 蔽 线, 并 且
遵 守“一 线 接 地”原
则。 这里的屏蔽也称
为“被 动 屏 蔽”, 是 为
了防止干扰侵入信号
传输通道。
参考文献
1 张松春等. 电子控制设备抗干扰技术及其应用. 机械工业出版社, 1995.
2 靳小桂, 王永强. 现场总线最新进展. 化工自动化及仪表,1994, (4) :3～ 81
3 Hothen D. M. How to handle power line transients . Instruments and Control System ,1978, (12) :23 ～ 261
当地完成。现场总线就是通过总线的形式把现场 所采集到的数据 (已经转换成数字信号) 实现与 上一级计算机或计算机网络的通信。这样不仅提 高了系统的电磁兼容性, 也使系统的可靠性进一 步提高, 同时也节约了传输线费用。 如果传输线 介质使用光缆, 将会使系统的电磁兼容性更加完 备, 这是应当尽力采用的好方法。
A Fuzzy Controller for Friction Compensation in Servo Sys-
tem
Huang Jin Ye Shanghui Chen Qichang
(Xidian University , Xian , China ) P27 Abstract A fuzzy contorller based on auto 2tuning scal2
扰限制在一定的范围内, 不可能也没有必要将其完全消除。
因此, 还是要采取必须的措施进一步限制变频器对信号系统
的干扰。
变频器对电磁环境的
影响主要通过 4 个渠道 (图
2)。第一是变频器产生的各
图 1
次谐波回馈给电网并直接 传给挂在同一电网上
的所有设备 (图 2①) ;
第二是这些谐波通过
电网产生的电磁辐射
在空间上分布很
广的机电一体化系
统, 传 输 线 路 是 最 易
发生问题的环节。 元
器件供应商并不能保
证这方面的电磁兼容
性。 传输线路引发的
电磁兼容性问题完全
依靠现场技术人员的
图 4
经验和分析能力来解决, 这就具有很大的不确定性因素。 目 前的发展趋势是现场仪表的智能化和数据的现场总线传输。 现场仪表的智能化主要是在变送器这一级把所有模拟量转 换成数字量, 并且使一些控制作用、自诊断、报警等功能也在
corralation recurrence and y axis corralation recurrence
models and the weight index effecting fitting precision are pointed out. Then , the factors what influence the surface shape and fitting presion are discussed. Key words Free 2form surface Reverse engineering Two 2direction correlation recurrence model
《机械设计与研究》1999 No. 1
机电一体化系统中的电磁兼容性问题
上海交通大学 (上海·200030 ) 冯正进 刘 利 中国航空油料华东公司 李行国
摘要 本文讨论了机电一体化系统的电磁兼容性问题。 正确接地是解决系统电磁兼容性的主要手段。合理地处理屏 蔽所产生的寄生电容对改善电磁兼容性有重要意义。现场总 线及光缆传输是解决电磁兼容性的一个发展方向。
最新消息
本刊 1999 年已进入 E I Page One 。欢迎踊跃来 稿。 本刊 2000 年将改为双月刊。
— 13—
《机械设计与研究》1999 No. 1
method , free 2form surfaces can be reconstructed from arbi 2 trarily distributed datapoints with correlation recurrence model by microcomputers . Distribution of the data points ef2 fects the surface shape of every position in the control area ,
4b 所示。 可见 C30构成了一个正反馈回路, 即使很弱的电磁 干扰将通过 C30耦合到输入端, 放大作用不断进行, 大大增强 了干扰的作用。事实上, 原系统为一家外国公司所设计, 投入
运行后, 干扰常常使系统无法正常工作。经过分析, 我们将信
号公共零线与金属盒子相接, 消除了 C30引起的正反馈作用。 同时, 将传输线的屏蔽层在近计算机一端接地, 取得了良好
1 电磁兼容性
电磁兼容性 EMC (Electromagnetic Compatibility ) , 根 据国家标准 GB T 13926 ·9 (与国际标准 IEC801-1 等效) 的定义是, 装置能在规定的电磁环境中正常工作而不对该环 境或其它设备造成不允许的扰动的能力。 通俗地说, 就是一 个装置在电磁干扰环境中正常工作的适应能力。对机电一体 化系统来说, 从设计开始就要从两方面考虑电磁兼容性问 题。 一是系统中的元器件本身要有足够的抗干扰能力; 二是 这些器件不产生或在一定范围内不产生对环境的电磁污染。 事实上, 就是在系统设计时全面地考虑了上述两个问题, 在 施工现场还是不可避免地碰到许多问题。
在工业生产现场, 各种设备都处于一定的物理环境之 中。例如: 压力、温度、湿度、声和光等。这些物理环境容易被 人注意。 但是, 机电一体化系统的电子设备对电磁量十分敏
— 03—
感。“信号”与电磁干扰共存是机电一体化系统的基本环境。 这也是我们研究设计机电一体化系统时必须考虑的基本事 实。 我们的任务并不是完全消除干扰, 而是要设法使系统中 的“信号”不被干扰所“淹没”, 使其能有效地“生存”于电磁干 扰环境之中, 即具有“兼容性”。
频器供电的离心油泵电动机是“强电”部份; 传感器、变送器、 传输线和计算机网络系统是“弱电”部份。 在空间上, 两者通
过电磁场不可避免地交织在一起。 这里要特别指出的是, 系
统中功率为 132kW 的变频器是一个强大的电磁干扰源。 虽 然, 变频器制造商已经取得了电磁兼容性方面的许可证。 但
使用者要有一个明确的概念: 任何许可仅仅意味着将电磁干
入、输出端分别加装电力滤波器, 限制各次谐波进入电力传
输线。一般, 变频器制造商都提供配套产品供选择, 但价格较
《机械设计与研究》1999 No. 1
贵。也可以考虑用电与抗器代之。其二是采用铠装四芯电力 电缆, 将铠装金属护套及中线在电力变压器副方和电动机端 良好接地。 这是安全接地, 但也起到了对电磁辐射屏蔽作用 (图 3)。这种屏蔽是将干扰源与外界隔离, 称为“主动屏蔽”。
最后应当指出, 如果系统中有大功率开关器 件 (如大功率变频器) , 并且与系统中其它设备共用同一电 网, 则其它所有设备必须采用隔离电源供电, 特别是各级计 算机网络。 否则, 将带来许多不必要的麻烦。
3 结论
机电一体化使机械系统发生了深刻的变化, 只有解决好 电磁兼容性问题才能使其发挥作用。我们在虹桥国际机场喷 气燃料自动化工程实践中的以上认识, 可归结为以下三点:
6 Olson G. G. Applications of an optical multichannel analyzer. American Labaratory ,1972.
冯正进 男,1938 年 3 月生, 教授, 主要从事机电控制 研究、教学、科研, 发表论文 30 篇, 科研获奖 3 项。
关键词 电磁兼容性 接地 屏蔽 中国图书资料分类法分类号 TP 273
0 引 言
80 年代以来, 由于控制技术、计算机技术、通信技术的 迅速发展, 使机电控制系统发生了革命性的变化。“机电一体 化”(Mechatonics ) 概念的提出就是机械系统信息化的一个 标志。就机电一体化系统而言, 在所涉及对象的多样性方面, 在分布空间的广度方向, 在控制作用的智能化程度方面, 在 控制功率的不断增大方面, 都达到了前所未有的水平。 也就 是说, 现代的机电一体化系统是一个“弱电”(信息流) 和“强 电”(能量流) 相混合的系统。因此, 系统本身及在其中工作的 器件的电磁兼容性就愈来愈成为系统设计、制造和调试的棘 手问题。可以毫不夸张地说, 不解决好电磁兼容性问题, 就谈 不上机电一体化系统的正常工作。
(图 2②) ; 第三是变频 器本身产生的电磁辐
射 (图 2③) ; 第四是变
频器与电动Leabharlann Baidu之间的
电缆产生的电磁辐射
图 2
(图 2④)。对变频器本 身 产 生 的 电 磁 辐 射,
由于制造商已经将其限制在较低的水平, 又可以将变频器安
装于金属柜内, 有可能把辐射屏蔽。 对于电网和变频器输出
电缆产生的辐射可以用两个方法来解决, 其一是在变频器输
4 Anders R. Interference problems or electronic control equipment . Electra ,1982 (83) :73 ～ 761
5 Morrison R. Answers to grounding and shielding problems prac 2 tical advice on handling electrical noise. Instruments and control System ,1979, (6) :35 ～ 381
图 3
上述“主动屏蔽”防止变频器的电磁辐射尽可能不向空
间泄漏, 但由于接地电阻的存在, 要完全消除是很困难的。因 此, 在系统的弱电部份还要采取抗干扰的措施。
在机电一体化系统中, 有许多传感器和变送器, 其中的 放大器对电磁干扰特别敏感。图 4a 为一流量变送器框图。其 中 IC 为放大电路芯片; a、b 为接流量传感器的输入端; c、d 为接计算机系统的输出端; 共装于金属盒子内。图 4a 的接法 相对金属盒子是浮空的。C10、C20和 C30分别为输入端、输出端 和公共零线相对于金属盒子的寄生电容。 其等效电路如图
the degree of influence depends on the distance between the data point and the position . The surface shape at each posi 2 tion is determined by the sum of influence values. The x axis
(1) 在机电一体化系统的设计、器件选择和施工各阶段 都要兼顾电磁兼容性方面的要求。
(2) 大功率开关器件是干扰源, 对其进行屏蔽是限制其 电磁干扰的泄漏, 对信号系统的屏蔽是防止干扰的侵入。 正 确的接地是屏蔽发生作用的条件, 特别要注意一些起不良作 用的寄生电容。
(3) 智能化现场仪表和现场总线的采用对提高系统的电 磁兼容性有重要意义, 是发展的方向。
2 一个工程实例
上海虹桥国际机场喷气燃料自动化工程是一个典型的
机电一体化系统。 它由分布于几万平方米内的各种传感器、
变送器、传输线、计算机网络、电动阀门和由变频器调速的 5
台 110kW 电动离心油泵等组成。从电磁兼容性角度看, 整个 系统可分成两大部分 (图 1)。电网 (用户电力变压器) 和由变
的效果。 可见不接地的金属盒子并不能起到屏蔽作用, 反而
形成一个正反馈的耦
合电容。 这一点在施
工 中 是 十 分 重 要 的。
一般来说, 所有的信
号传输线都应当选用
良 好 的 屏 蔽 线, 并 且
遵 守“一 线 接 地”原
则。 这里的屏蔽也称
为“被 动 屏 蔽”, 是 为
了防止干扰侵入信号
传输通道。