典型问题六 -控制信号的干扰I

1     综述

控制系统中的信号类似于人身体的神经系统，在控制中心与执行机构之间有效准确的信息交互，从而实现目标控制的实现。在驱动系统中存在各类信号，按照信号系统控制功能分，可分为设备状态信息，设备控制信号；按信号性质来分，可分为模量和数字量；按系统范围来分，可分为驱动系统内部信号，比如用于反馈控制电流，电压，转速等实际值信号及用于控制功率器件等的控制信号；以及系统间信号，比如与PLC系统间的网络通讯等；按物理传导介质的不同，可分为光信号传输，空间电磁信号传输，物理线路信号传输等。

2     驱动系统中典型信号

介绍一类典型驱动中的信号系统的基本构成（在讨论时，仅考虑产品及驱动系统各个设备）：

图中是典型的S120变频器柜机系统的组成

3      典型信号干扰案例介绍

3.1   功率模块与控制器间的信号干扰：

       驱动系统中比较重要的信号是控制器与功率模块之间的信息传递。触发脉冲控制信号及功率回路反馈的电流电压实际值信号。在接下来我们介绍下驱动系统中典型的信号干扰。典型的现场的一些问题：

case1：触发脉冲控制信号：

       由控制器根据对应的算法计算的控制功率半导体器件导通与关断的重要信号，很显然，首先造成驱动系统的不稳定；其次有可能损坏主回路相关设备。在较早系列交交变频器系统中，晶闸管触发脉冲采用的电触发方式。

某冶金连轧现场，在定子高压开关合闸，变压器投入情况（此时系统控制器脉冲输出禁止）下，烧损熔断器的情况，通过示波器，在整流桥某些位置上的晶闸管触发电路出现脉冲，显然，变压器在投入瞬间激磁的过程功率回路产生的电磁场干扰耦合到触发信号电缆回路，晶闸管在不受控的情况下导通，从而造成正反桥之间的环流，造成熔断器烧损。处理的措施，重新安排触发信号电缆铺设路径。

       为实现控制器与功率回路的电磁解耦合，对于当前的驱动来讲，解决的方案是功率器件与触发控制电路的高度集成化，比如IGBT功率器件与其触发监控电路是一体化设计，同样，晶闸管功率器件采用同样的思路，对于晶闸管功率拓扑电路来讲，由于电压等级更高，容量更大，对于触发监控电路的供电电源直接取自RC电路，从而彻底实现主回路与控制电源的电路耦合；另一方面控制信号的传输采用了光信号传输，从而实现强电回路与弱电回路的电磁解耦合。

图为IGCT相模块（应用于西门子中压变频器SM150）

图为晶闸管功率模块（应用于西门子中压变频器SIMOVERT S/D）

case2：基本整流单元频繁出现直流母线过电压情况，在故障复位后依旧能够正常运行。

初始直流母线电压检测线路 ，将直流母线电压检测线路重新布线。

在更换可能相关硬件仍旧无改善下，重现检测装置的电压实际值检测线路，从图中可以看到将实际值检测线路原理直流母线主回路后，连续观察现场设备运行状况，再无类似故障出现。这个case是典型的主回路（直流回路）通过强电场耦合至电压实际值检测回路的案例，解决方案之一就是采用了增加干扰电路与受扰体之间的空间间隔。

       上面的情况是直接导致系统故障状态，而在相当一部分应用中，由于实际值信号检测受到干扰而导致系统的所谓的“软故障”的异常工作状态，比如高频信号在有用信号的叠加，检测设备的供电电源的波动影响检测信号质量，这样对于排查故障来讲将面临无法快速定位故障点的困难。

为实现检测电路与主回路的电磁耦合在西门子中压产品中采取了如下的措施，一方面是检测设备的一次回路与二次回路尽可能集成化，并在产品及现场设备安装上尽量减小检测电路在强功率电磁场的影响，另一方面检测设备与控制电路的信号传输采用光纤介质，实现控制与功率回路的完全解耦合。再有，对于检测设备的供电采用抗干扰能力较强的稳压电压。

电流实际值检测回路的设计（应用于西门子中压变频器SM150）

电压实际值检测回路的设计（应用于西门子中压变频器SM150）

在西门子变频器中，由于电流实际值检测一次侧电路采用电流源信号，其信号源已具备一定的抗干扰能力；而对于电压实际值检测电路，其一次侧电路通过分压电阻直接取样实际值信号，同时在矢量控制中磁链矢量检测均决定于电压实际值，所以为保证信号的稳定，在检测设备供电上采用了抗干扰能力很强的高频开关电源。