机电一体化系统中的电磁兼容性问题

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
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。
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。
《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。
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。
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
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
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
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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”。
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
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
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
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
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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”。
(图 2②) ; 第三是变频 器本身产生的电磁辐
射 (图 2③) ; 第四是变
频器与电动机之间的
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
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。
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。
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《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 ,
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
(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。
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。
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
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
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
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