屏蔽电缆驯服伺服系统电磁干扰

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侧栏:国家电气规范(NEC)布线方法指南，以减少EMI

运动控制系统布线中的电磁干扰(EMI)可能是伺服电机系统设计人员和用户受挫的主要来源。如果不加以抑制，它会干扰系统控制，产生数据错误，甚至可以打开和关闭设备。电磁干扰的频率范围可以从直流和最低音频到整个无线电频段。它们既可以通过电缆传导，也可以从电缆辐射出去。传导发射通常占用30 MHz以下的频段，而辐射发射通常占用30 MHz以上的频段。

电子电缆屏蔽层保护电缆导体中的信号不受外界电磁干扰的影响，也降低了电缆辐射的干扰水平，这些干扰可能会影响电缆周围的其他导体、设备和布线。

电磁干扰的种类

要了解适当的屏蔽，首先必须了解电磁干扰的耦合机制，因为一种类型的耦合屏蔽可能对另一种完全无效。此外，不正确地参考(接地)屏蔽可能比根本没有屏蔽更糟糕。噪声的四种传导机制可以降低信号:

电容耦合;

感应(磁)耦合;

直接耦合;和

辐射(RF)耦合。

电容耦合噪声的问题最少，也是最容易抑制的;然而，它可能导致数据错误与高频率，高阻抗传输。

特点:这种高频电压干扰与电流无关。它可以在具有特征零电压基准的示波器上被发现。数学上，该公式可以将其与辐射耦合机制区分开来。

解决方法:使用箔状外导体环绕电缆接地。接地是特别重要的，因为屏蔽对信号线的电容为系统提供了一个耦合机制。

感应(磁)耦合噪声是强磁场作为动力机制的结果。这可以诱导信号通过相对较低的阻抗，并中断传输。这种形式的电磁干扰和系统中隐含的干扰可以有足够的功率来打开或关闭设备。

特性:电感(磁)耦合噪声由零电压平均值(不会有直流偏移)组成，范围从最低频率到最高测量范围(>500 MHz)。同样的公式适用于电感耦合噪声和电容耦合噪声。

解决方案:双绞线导体周围的编织屏蔽参考地与差分驱动器/接收器组合使用通常是有效的。这种类型的屏蔽通过抑制感应式电磁干扰的发射和接收来减少来自源和接收器的噪声，因为它靠近导体和接地的电气参考。感应噪声将遵循最小电感的路径，因此屏蔽将在它影响其他电缆之前捕获它。由于磁涡流的影响，铝箔屏蔽几乎不那么有效。

直接耦合噪声是指噪声电流与系统有直接连接，例如电源在交流线路上产生噪声尖峰。

特性:直接耦合噪声可以具有非零平均电压。直流偏置是直接耦合机制的某种指示。它可以是极低的频率(例如，60 Hz噪声)，并且除了功率传输限制外，不受任何阻抗公式的支配。

解决方案:必须通过隔离、滤波或其他阻抗匹配来消除直接耦合噪声。屏蔽对减缓是无效的，但至少可以帮助控制系统内的传播。在非屏蔽系统中，大的直接耦合噪声尖峰可能是磁耦合的。

辐射耦合是最复杂的机制，有一些特殊的限制有关的频率，必须了解。

特性:通常情况下，所讨论的设备必须距离传输源1/2ë(波长)，并且至少具有ë/20的天线长度。因此，射频干扰有一个特定设备之外的来源。在寻找电磁干扰源时，人们可能需要比最初预期的看得更远。即使在5 GHz时钟频率下，设备也必须距离干扰信号源8米才能接收到射频，天线大约400毫米(15.75英寸)长。

解决方法:铝箔屏蔽不充分;然而，编织屏蔽是有效的，尽管它的应用是处理辐射电磁干扰时最关键的。首先，射频屏蔽绝不能在被保护的电路内部终止。完整的360°屏蔽覆盖是必须的。考虑到可能涉及的极高频率，通常可能被忽略的小孔或路径可能会产生严重的阻抗问题。像外壳上允许电缆进出的插槽这样无害的东西可能是射频输入的来源。在处理传输效应时，如果熟悉立体声调谐器的人都知道射频的适当屏蔽，并能指出其他人不熟悉的波导和馈通电容器，则传输效率就得到了保证。

选择电缆类型

为特定应用和频率范围选择正确类型的屏蔽线是保护控制电路中低电平信号完整性和确保伺服系统定位准确可靠的重要步骤。此外，用于大功率驱动电路的屏蔽电缆可确保运动系统不会干扰周围设备。例如，适当端接的屏蔽可以防止伺服驱动器产生的接地噪声电流(有时称为共模电流)到达地网。编织、螺旋和箔状屏蔽为传导的低频和高频噪声电流返回驱动器提供了低阻抗路径。

屏蔽的主要目的是减弱辐射。到达电缆屏蔽层的噪声能量部分被反射，部分通过低阻抗屏蔽层重新定向，但一些残余噪声能量穿透屏蔽层并破坏相邻电缆导体中的低电平信号。目标是选择最有效的屏蔽，以尽量减少噪音穿透。

伺服电机电缆(反馈和电源)受到辐射以及对环境电磁干扰的敏感性的影响。除了由伺服运动系统附近的设备和线路产生的干扰外，电机驱动是电气噪声的主要来源。为了尽量减少这种情况，连接反馈、模拟、数字和其他低压电路的伺服电缆受益于屏蔽减少输入和输出EMI的能力。通常，双绞线被放置在屏蔽内以减少双绞线之间的串扰。扭转信号和返回线可以减少辐射。在电缆对上加一个屏蔽层可以增加另一层保护，并减少电缆中导体和导线对之间的串扰。外屏蔽层保护所有导体免受外部电磁干扰，减少电缆辐射的干扰。

伺服电源电缆产生高水平的电磁干扰辐射，因为系统能够以非常快的速度开关驱动电流。然而，这些快速的电流变化产生显著的高频干扰，这是由电力电缆的电容和感应辐射。屏蔽电力电缆可以降低辐射水平，保护系统中的反馈信号和设备。在Danaher Motion网站上可以找到伺服连接的良好实践指南。(ftp://dagobah.kollmorgen.com/dist/TechInfo/AppNotes/noisechecklist.pdf)

选择合适的盾构结构需要考虑许多因素，包括盾构材料。其中包括:

有些电缆有一个把所有导体都包起来的总屏蔽层。

其他电缆有单独的导体或单独的电缆对，上面有屏蔽。

用于恶劣环境的电缆具有单独屏蔽和整体屏蔽的组合。

双屏蔽隔一层绝缘层增加噪音保护，但降低电缆的灵活性。例如，由铝箔制成的第一层屏蔽层提供100%的覆盖和对高频干扰的保护。第二种是编织铜屏蔽层(在屏蔽层之间的绝缘层上)，它改善了低频保护，并增加了相当大的强度和弯曲寿命。

三种类型的护盾

使用编织，螺旋和箔屏蔽的电缆足以满足伺服系统的全范围电压。

编织屏蔽层通常由铜股编织成网状结构，覆盖电缆中的单个导体、双绞线或所有导体。覆盖度取决于编织中股线的紧密程度，编织护罩通常为60-95%。更高的覆盖率意味着更好的电磁干扰防护和更低的辐射。

编织线的大小，通常在32到40 AWG之间，直接影响盾牌的灵活性，弯曲寿命和覆盖范围。镀锡编织线具有更强的耐腐蚀性，更好的电接触性和更好的可焊性，但与同等尺寸的裸编织线相比，柔韧性较差。连续柔性伺服电机电缆的屏蔽层通常有极细的裸铜股。信号电缆应包括双绞线，用整体编织屏蔽的箔罩包裹。

螺旋护盾比编织护盾提供更高的灵活性和弹性寿命。它们由裸铜线或镀锡铜线绕成螺旋形。螺旋护罩在较低频率下表现最好，通常覆盖率超过95%。它们用于大多数高弯曲或连续弯曲应用，例如扭曲弯曲，其中编织或特别是箔屏蔽可能被电缆的扭转运动损坏。当必须保持360°接触时，螺旋屏蔽接地更加困难。

铝箔屏蔽通常是由铝箔粘合在聚酯衬底上制成的。需要背衬来机械地支撑箔片。铝提供有效的高频电磁干扰电容耦合噪声保护。铜箔的使用频率较低，覆盖的频率范围较低。箔屏蔽可以应用在导体周围的三种方式之一:箔面向导体，箔面向外，或屏蔽边缘折叠在缩短，z形折叠。

前两种安排允许一些噪音泄漏，因为在箔/背面边缘重叠的地方不存在金属对金属的接触。然而，z形折叠，创造了360°(100%)覆盖导体，因为箔面彼此没有中断。在箔边上的排水线提供了一种可靠地接地箔屏蔽的方法。

UL, CSA, CE要求

除了减少或消除对伺服系统和周围设备运行的干扰外，屏蔽电缆可能需要符合某些监管标准，例如欧洲合格(CE)。

导体的尺寸、绝缘类型和清单标记(如果有的话)通常会连同额定电压和温度一起印在电缆的护套上。美国保险商实验室(UL)和加拿大标准协会(CSA)标志表明该电缆由一个或两个组织评估，并根据制造商的规格使用时是安全的。然而，这种列表的存在并不表明电缆具有优越的屏蔽性能。CE对传导到线路的噪声量有限制，但仅仅使用带有CE标志的电缆并不能保证整个系统符合CE标准。合规性还取决于电缆的使用方式，因此在实际安装中仔细研究电缆规范和测试是不可替代的。

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理解灵活的需求

为灵活应用而设计的电缆通常具有:

细铜绞线导体;

灵活的绝缘;

每层导体上的防滑化合物;

不吸芯缠绕胶带;

导体束和屏蔽之间的内护套;

极细的铜线屏蔽;

在反馈导体屏蔽上带编织的箔;和

柔软的外外套。

弯曲电缆的屏蔽层有非常细的裸铜股，很容易符合导体束的形状。当电缆弯曲时，屏蔽层应该能够沿着导体束来回滑动，摩擦小，不会碰到由单个导体和它们之间的空间形成的峰值和低谷。屏蔽下面缺乏光滑的圆形表面会使电缆永久变形成螺旋形。在制造过程中，在屏蔽层和导体束之间放置一层薄薄的内护套，以填补导体之间的空隙，并形成一个光滑的圆形，以便屏蔽层滑动。

一种常见的做法是添加填充物和羊毛胶带，以形成一个圆形，光滑的表面下面的盾牌。另一种电缆制造工艺是形成一个挤压的内护套，由于其结构，形成一个几乎完美的圆形，在电缆弯曲时不会unwind。这种结构比填料和胶带设计更昂贵，但提供了更高的可靠性。

将护罩编织或缠绕在内护套上，然后用外护套覆盖护罩。

在弯曲过程中，电缆组件之间的相对运动产生摩擦噪声，从而产生静电和压电干扰。精心设计的柔性电缆尽量减少这种噪音影响，但这种现象仍然值得仔细考虑。

不同种类的弯曲和弯曲影响电缆组件的选择，包括屏蔽。连续弯曲、弯曲弯曲和扭转弯曲是典型的电缆运动。电缆规格表明电缆的设计能够承受不损坏的运动类型。

连续弯曲是指放置在C轨道上的电缆的线性(一个平面)来回弯曲或滚动。弯曲弯曲包括电缆的一端固定到位，另一端来回弯曲。额定用于这些线性弯曲应用之一的电缆不应扭曲。

例如，扭转弯曲或扭转存在于机器人设备中，其中包含电缆的机械臂顺时针和逆时针旋转。螺旋屏蔽最适合这种应用。

屏蔽性能比较

保护类型

财产
箔
铜编织
螺旋

报道
高达100%
60 - 95%
80 - 97%

保护频率范围
高频率
低频到高频
低频

机械强度
可怜的
很好
好

灵活性
好
好
很好

Flex的生活
可怜的
好
很好

解除合同的便利性
非常好(使用排水线)
良好(使用金属带夹)
公平

作者信息

Lee Stephens是Danaher Motion的系统工程师;

国家电气规范(NEC)

国家消防协会在其国家电气规范(NEC)出版物中指出，将所有电缆分为两组。建筑布线组包括用于固定装置的电缆，这些电缆不暴露于任何移动，通常在管道中、墙后或其他无法目视检查的地方布线。

第二组被称为柔性电线和电缆。这些电缆连接着可以相对移动的电子元件。应用包括工业机械，物料搬运设备，工具和其他具有活动部件和包含电缆的设备。

所有电缆的整体部件，包括导体、绝缘、屏蔽层和护套，都必须经过精心设计，以确保它们在最恶劣的弯曲条件下也能满足规定的使用寿命。然而，通常不建议将柔性电缆用于固定装置，因为它们不是为管道和其他封闭区域设计和测试的。电缆通常放置在容易看到的位置，以便于更换损坏的电缆。

减少电磁干扰的布线方法指南

这里有几个常识性的技术，将提高伺服系统的电磁干扰抗扰性。

电缆的长度，特别是反馈电缆，应该选择(或制造)允许一些松弛，以避免小的弯曲半径，但不要过度，以增加EMI噪声水平，这破坏了信号。当电机/驱动电缆的长度大于要求时，会产生更多的干扰;电缆越短越好。

单独的电源和反馈电缆减少了连接电机和驱动器的大电流导体与承载低压反馈信号和其他模拟和数字信号的导体之间的串扰。电源和信号电缆应尽可能在分开的管道中运行，或保持至少4英寸。分离驱动电流高达20 A;6。隔离电流高达40 A;8英寸。分离驱动电流高达80a。如果电源线和信号线需要交叉，应互相垂直敷设。

复合(电源/反馈)电缆节省了空间，更容易布线，但大大增加了反馈导体受到电力导体产生的EMI噪声的可能性。高质量的复合电缆包含成双绞线的信号线，用双屏蔽层包围。

许多伺服电机制造商提供预制电机电缆与他们的系统一起使用。这些电缆节省时间，通常比在家里制造的电缆产生更好的效果。

电机的共模扼流圈通常建议电缆长度超过80英尺。

当使用交流电源线滤波器时，输入和输出引线必须分开。

与模拟电路中的单端输入相比，差分输入提供更大的抗噪声能力。信号线应采用屏蔽电缆，两侧带屏蔽层接地。电源线屏蔽层也应在驱动侧和电机侧接地，以防止电机绕组产生的噪声进入电路。

电缆上的屏蔽层也应保持360°电接触。为终端制作屏蔽“辫子”会使部分导体暴露在电磁干扰噪声中，应避免这样做。电缆不应在端子排上分开。机柜各金属部件之间应采用导电编织线连接。为了提供良好的电气接触，应从安装驱动器的电气面板上的区域去除油漆。

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