导电滑环内电磁干扰问题的研究.pdf

学术论文ARTICLES导电滑环内电磁干扰问题的研究徐黎明张圣平吕洪杰余汉延（武汉重型机床集团有限公司，湖北武汉，43 0 0 0 0）摘要：针对导电滑环内模拟信号受到电磁干扰的问题，分析了干扰形成的原因以及耦合路径，提出一种有效地消除电磁干扰影响的技术方案，为导电滑环在数控机床上的应用提供一定的参考。关键词：导电滑环；电磁干扰；数控机床Research on the problem of electromagnetic interference in slip ringXU Liming,Zhang Shengping,Lv Hongjie,Yu Hanyan(Wuhan Heavy Duty Machine Tool Group Co.,Wuhan,430000)Abstract:For the problem of electromagnetic interfering analog signal in the slip ring,this paper analyzes the causesof interference and coupling path,and proposes an effective technical solution,which provides references for slip ringapplication in CNC machine tools.Key words:Slip Ring;Electromagnetic Interference;CNC Machine Tools1研究背景导电滑环作为机械装置特别是各种精密传动装置、惯导装置等设备的关键部件之一，在现代化工业设备上得到越来越广泛的应用。它主要是利用滑环和电刷实现两个相对转动物体上的数据信号和动力的传递。在实际应用中，往往需要同时在一个导电滑环内传递大电流高电压动力线和弱电压模拟信号线，但强电的电磁辐射与传导容易对小信号模拟电压造成干扰，这对于导电滑环内的电磁兼容性提出了更高的要42Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期求(2-3)。本文阐述的对象是某生厂商的导电滑环在我司的数控机床上使用时出现的一些问题。我们在分析和解决问题的过程中总结了一部分技术经验，希望能为导电滑环在数控机床上的应用提供一些参考。2研究内容2.1问题现象描述与初步分析导电滑环所在机床，接入的数控系统为西门子840DsI系统。当系统上电运行时，数控系统立即报警停机，故障信息为：编码器A/B幅值误差超差；此报警信息解释为数控系统驱动器下挂的伺服电机编码器的反馈信号A相或B相的幅值超出了系统预设的阅值范围。用示波器测试B相位的波形，如图1所示1.58V1.5540s？?200mV200mV图1示波器测得反馈信号B相波形由西门子编码器规格书可知，在正常情况下电机编码器反馈信号中A相或B相波形为峰峰值5 0 0 mV的正弦波模拟信号，而实际测得的B相位波形是在正弦波上叠加了一段连续干扰尖峰杂波信号，这便导致了系统提示幅值超差报警。针对该问题，我们搭建了如图2 所示的实验系统来进一步分析上述AVB相干扰的由来。反馈信号的回路。它是连接17 芯主轴伺服电机编码器和12 芯光栅尺编码器以及预留信号反馈线的信号环道。而报警信号正是17 芯主轴编码器的反馈信号所占用的那部分环道引起。由电磁耦合的机理可知，如果导电滑环内的动力环与信号反馈环未经过有效的防电磁干扰措施，势必会导致动力环的电流通过电磁耦合、静电耦合、及地电流传导等形式对信号反馈环内造成干扰而使信号波形失真。2.2电磁空间辐射干扰的影响为确认电磁干扰在系统环路的分布情况，便于进一步分析干扰影响程度，并提供有效改善方案。实验中对系统环路的多个节点进行了辐射干扰感应电压相M50.0UsCH1-6.70mV对于距离的对应关系进行测试，实验结果得出，动力回路的屏蔽线处辐射的干扰是最强的，动力线的干扰传导到其他的各个环节，如屏蔽线，电缆接头等都会带来高频脉动，此高频脉动向空间辐射，便会对近距离的导体产生感应电压，脉动感应电压是随着距离传播而逐渐衰减的，距离动力线越近其感应的干扰电压越强，我们在贴近电力线地环路处测试到的感应电压如图3 所示。RIGOL图2 导电滑环连接系统实验图图3 动力线地环路感应电压波形导电滑环的结构分动力环和信号反馈环两大部分，动力环为强电环，为数控系统6 0 0 V母线电压斩波后输出给电机的驱动电力回路。动力环内部有四路，分别为U相、V相、W相和地。四路动力线再加上24V的抱闸信号线经过导电滑环动力环道后接电机的电源驱动接口；信号反馈环为弱电环，为电机编码器电缆的屏蔽层接地的，所以地环路存在脉动干扰势必导致导电滑环内的屏蔽层环道也产生同样的脉动干扰。我们进一步对编码器信号A相和B相所在环道在导电滑环内的分布情况如表1所示，这里只给出A相和B相临近的几个环道。由表1可知，屏蔽层环道会对周边临近的信号环2022.06 第 2 期 I Defense Manufacturing Technology43学术论文ARTICLES表1A/B相环道在导电滑环内分布环2定A相D相D-相B-相B相A相道带来辐射干扰，如屏蔽层8 号环道会向它临近的环道（如B-,B相）产生噪声干扰，此干扰耦合会到模拟信号上，使信号失真。而远离屏蔽层环道的信号对于这个噪声的干扰影响就会相对小很多。2.3环道间耦合电容对于信号的影响为抑制共模干扰，西门子系统的反馈信号A,A-和B,B-走差分双绞线，外层包屏蔽层。由差分运放电路的原理可知，当差分两端耦合入共模干扰信号时，干扰信号在差分电路中会受到很好的抑制而不影响正常信号波形。但是，由于系统接入导电滑环后，导电滑环内各环道间存在的耦合电容的差异，这种差异便导致差分电路对于两端共模信号抑制能力大大减弱。我们可以通过简易的差分等效电路模型来分析该情况，如图4所示。V1C1V2C2R3图4等效差分电路图4中的C1，C 2 分别代表A相或B相差分环道对屏蔽层地环道的极间耦合电容。当不考虑耦合电容C1，C2 时，差分运放的输出Vout的输出表达式：Vout=R,+RR2R当输入端为高频脉动电压，考虑耦合电容C1，C2的影响时，表达式为Vout=R4Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期其中:R;=R,+XcR=R,+R,+Xc.34R1（3）（4）567屏蔽层PR2VCCR4R8910MVout（1）（2）(3),（4)式中X=2X2元，（5），（6）式中的f为耦合进的共模干扰的频率。由实验测量得：C,=0.7nF,C2=1.4nF,f=8000Hz共模干扰感应电压为：Vi=V,600mV,此时令：当 R,=R4=10K2,R2=Rs=10KQ2,不考虑耦合电容时，由（1）式得Vour=V,-Vi=0符合差分电路共模干扰抑制要求。当考虑耦合电容差异带来的影响时，将参数测试结果代入（2）式得Vour 0.55V,-0.34V,126mV当R,=R,=20KQ,R,=R,=20KQ时,考虑耦合电容影响时，由（2）式得Vour 1.3V,-0.58)432mV(8)由（7）式和（8）式可知，当存在耦合电容差异的影响，差分电路受到共模噪声干扰时，即V=V2，其输出Vout对于共模的干扰的抑制能力明显减弱的。所以耦合电容的差异对于差分电路的共模抑制能力的影响还是很大的。所以，对于导电滑环内部，差分输入端环道相对于屏蔽层环道间的耦合电容的差异影响系统的共模干扰抑制能力。3总结与解决方案综上所述，当导电滑环的接入系统时，为有效地抑制地环路的电磁干扰我们有以下整改建议：(1)导电滑环的外壳的进线端需要良好的接地，建议采用3 5 mm以上的导线接地；(2)在导电滑环的信号反馈线进线端和出线端的外层屏蔽线都需要通过连接壳体接地，连接壳体的方式参考图5 所示。(3)避免电缆屏蔽层在导电滑环的环道内走环道下转P37页2元C（5）（6)（7）集成服务能力，支持应用从开发测试到部署的开发全生命周期管理。一体化持续集成系统以Jenkins为核心，并结合docker、G i t l a b、M a v e n 等工具和技术构建针对开发编译、打包部署、测试发布等环节的完整工具链，能够支持开发人员实现业务应用的自动化的构建（包括编译、发布、自动化测试），从而更快地发现集成错误，并有助于减少集成开发出现问题，提升团队开发协作效率。在基于DevOps的持续集成服务能力之上，基于业务组件化和服务化的思想来进行功能的规划设计，并采用微服务架构进行平台业务的开发与整合，使得3D打印云服务平台具备良好的系统扩展性和持续更新能力。同时通过构建业务中台，一方面从前台应用中快速沉降前台通用的业务服务能力，另一方面从后台资源中提取后台业务能力，从而不断的积累沉淀研发经验，形成一系列可复用的共性业务组件，帮助更加高效的应对复杂多变的业务需求，从而提升业务应用快速开发的响应能力。3结语利用3 D打印技术支持创新创业的关键在于大幅降低3 D打印制造技术门槛，提供易于表达创新创意的软件工具，搭建3 D打印网络创作平台，推动3 D打印技术、软件工具和服务平台向传统制造业和公众普及应用，聚集海量3 D打印资源，形成有利于知识产权保护的网络生态系统，全面打通3 D打印技术与创新创业的对接渠道。3D打印云服务平台通过提供多方面的集成服务支持和持续集成能力，使得企业用户和个人创客能够基于平台方便快捷的进行应用系统集成开发和联调联试，以及相关开发成果的分享和复用，有助于围绕上下游各利益相关方，打造资源开放共享、融合共建的生态体系，对于3 D打印技术的快速普及推广应用及产业化发展起到推动作用，支撑“互联网+3 D打印”的创新创业新模式的探索建立。DMT参考文献（References)1刘菲，郝风杰.云计算环境下Web服务集成系统的研究 J.计算机科学,2 0 15,v.42(S2):426-429+439.2张晨峰，云和企业应用集成的研究和实现 D.浙江大学，2 0 16.3肖雷.基于Jenkins的持续集成系统设计与实现 D.2016.上接P44页通路。(4)对于导电滑环的终端（电机）需要良好的接地，即电机安装所在的机床需要良好接地。波形正常。再对导电滑环进行连续十多天不间断的实时观测，数控系统无故障报警。DMT内服电机全格头力电视特图5 信号反馈线屏蔽层与壳体接头连接示意图经过整改后，以西门子数控系统软件对编码器反馈信号B相位进行采样，得到信号波形如图6 所示，图6 由NC系统读取的反馈信号B相位正弦波图参考文献（References）1李坤芝.导电滑环技术研究 J.舰船科学技术19 9 4(5):5 6-5 8【2 保罗，电磁兼容导论 M.闻映红，译.1版.机械工业出版社，2006-09-28.【3 享氏，维克.设备设计与系统集成的电磁兼容 M.杨自佑，崔强译.1版.机械工业出版社，2 0 14-11-0 1【4张霞，胡世昌，朱辉杰，差分电容电压转换电路噪声性能分析及测试 J.传感技术学报：2 0 11,2 4(9):12 0 1-13 0 42022.06 第 2 期|Defense Manufacturing Technology37