Optimierung der Servosystemleistung: Ein umfassender Leitfaden zur Beseitigung elektrischer Störungen und zur Verbesserung der Störfestigkeit

Dieses Whitepaper befasst sich mit den Schritten und Techniken, die zur Minderung elektrischer Störungen in Servosystemen erforderlich sind, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit für hochpräzise Anwendungen sicherzustellen.

Warren Osak | Servo2Go

Elektrisches Rauschen bzw. elektromagnetische Störungen (EMI) stellen für Ingenieure und Konstrukteure, die mit Servosystemen arbeiten, ein erhebliches Problem dar. EMI kann sich in verschiedenen Formen manifestieren, beispielsweise als abgestrahltes oder leitungsgebundenes Rauschen, und zu Leistungseinbußen, Signalstörungen und verringerter Systemgenauigkeit führen. In Servosystemen kann Rauschen kritische Signale wie Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldungen verfälschen und so die allgemeine Stabilität und Steuerung beeinträchtigen. Als Ingenieur mit Fachkenntnissen auf diesem Gebiet ist es von entscheidender Bedeutung, die Geräuschquellen in Servosystemen zu verstehen und wirksame Strategien anzuwenden, um deren Auswirkungen zu minimieren oder zu beseitigen.

1. Richtige Erdung: Stellen Sie sicher, dass Ihr Servosystem ordnungsgemäß geerdet ist. Verwenden Sie eine Einzelpunkt-Erdungstechnik, um Erdschleifen zu minimieren und alle Erdungen an einem gemeinsamen Punkt zu verbinden.

A. Einpunkterdung: Verbinden Sie alle Erdungen mit einem einzigen, gemeinsamen Punkt, um Erdschleifen und Potenzialunterschiede zu reduzieren.

B. Sternförmige Erdung: Befestigen Sie einzelne Erdungskabel von Komponenten an einem zentralen Erdungspunkt und senken Sie so den Geräuschpegel.

C. Best Practices für die Erdung: Verwenden Sie dicke Drähte mit niedriger Impedanz, halten Sie die Kabellängen kurz und achten Sie auf saubere, sichere Verbindungen.

2. Abschirmung: Verwenden Sie abgeschirmte Kabel für Strom- und Signalverbindungen, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Schließen Sie die Abschirmung nur an einem Ende an, normalerweise am Controller-Ende, um Erdschleifen zu vermeiden.

A. Kabelabschirmungsarten: Wählen Sie je nach Anwendungsfall und Störpegel den geeigneten Abschirmungstyp aus, z. B. Folien- oder Geflechtschirm.

B. Korrekte Erdung der Abschirmung: Erden Sie die Abschirmung an einem Ende, normalerweise am Controller-Ende, um Erdschleifen zu vermeiden und die Rauschunterdrückung zu maximieren.

C. Abschirmungskontinuität: Stellen Sie eine kontinuierliche Abschirmungsabdeckung über die gesamte Kabellänge sicher, einschließlich Kabelverbindungen, Anschlüssen und Anschlusskästen, um eine optimale Rauschunterdrückung zu gewährleisten.

3. Kabelführung: Trennen Sie Strom- und Signalkabel, um Übersprechen zu minimieren. Wenn sie sich kreuzen müssen, tun Sie dies im 90-Grad-Winkel. Vermeiden Sie es, Kabel parallel oder in unmittelbarer Nähe zueinander zu verlegen.

A. Physische Trennung: Halten Sie einen Mindestabstand zwischen Strom- und Signalkabeln ein und verlegen Sie diese nach Möglichkeit in separaten Kanälen oder Kabelkanälen.

B. Kreuzung im rechten Winkel: Wenn sich Strom- und Signalkabel kreuzen müssen, tun Sie dies im 90-Grad-Winkel, um die Kopplung von Störungen zwischen den Kabeln zu minimieren.

C. Vermeiden Sie Parallelverlegungen: Verlegen Sie Strom- und Signalkabel nicht über größere Entfernungen parallel oder in unmittelbarer Nähe, da dies das Übersprechen und die Rauschkopplung verstärken kann.

4. Kabelauswahl: Verwenden Sie Kabel mit verdrillten Paaren, da diese durch die Unterdrückung elektromagnetischer Störungen das Rauschen deutlich reduzieren können.

A. Verdrillungseffekt: Twisted-Pair-Kabel reduzieren das Rauschen, indem sie die Belastung jedes Leiters durch externe Störungen ausgleichen, wodurch das Rauschen aufgehoben wird, wenn die Differenzsignale kombiniert werden.

B. Wählen Sie geeignete Kabeltypen: Wählen Sie Kabeltypen, z. B. geschirmtes Twisted Pair (STP) oder ungeschirmtes Twisted Pair (UTP), basierend auf der Störanfälligkeit der Anwendung und dem erforderlichen Maß an Störfestigkeit aus.

C. Impedanz anpassen: Stellen Sie sicher, dass die Kabelimpedanz mit der Impedanz der angeschlossenen Geräte übereinstimmt, um Signalreflexionen zu minimieren und die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.

5. Rauschfilterung: Setzen Sie Rauschfiltertechniken wie Ferritperlen oder Drosseln ein, um hochfrequentes Rauschen in Strom- und Signalleitungen zu unterdrücken.

A. Ferritperlen: Installieren Sie Ferritperlen auf Kabeln, um hochfrequentes Rauschen zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wodurch elektromagnetische Störungen effektiv reduziert werden.

B. Drosseln und Induktivitäten: Verwenden Sie Gleichtaktdrosseln oder Induktivitäten, um Rauschen zu unterdrücken, indem Sie die Impedanz für Gleichtaktströme erhöhen und gleichzeitig Gegentaktströme mit minimaler Dämpfung durchlassen.

C. Filterschaltungen: Implementieren Sie passive oder aktive Filterschaltungen, z. B. Tiefpassfilter, um hochfrequentes Rauschen zu dämpfen und gleichzeitig die gewünschten Signale durchzulassen.

6. Verwendung der richtigen Stromversorgung: Verwenden Sie für Ihr Servosystem eine geregelte Stromversorgung mit geringem Rauschen. Stellen Sie sicher, dass die Kapazität ausreichend ist, um die Last zu bewältigen und eine stabile Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

A. Netzteilkapazität: Stellen Sie sicher, dass das Netzteil über ausreichende Kapazität verfügt, um die Last zu bewältigen und unter allen Betriebsbedingungen eine stabile Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

B. Geräuscharmer Ausgang: Wählen Sie Netzteile mit niedrigen Ausgangsrausch- und Welligkeitsspezifikationen, um die Einleitung von Geräuschen in das Servosystem zu minimieren.

C. Filterung der Stromversorgung: Setzen Sie am Ausgang der Stromversorgung zusätzliche Filter wie Kondensatorbänke oder Induktivitäten ein, um das Rauschen weiter zu reduzieren und saubere Spannungsschienen für das Servosystem aufrechtzuerhalten.

7. Induktive Lasten minimieren: Halten Sie induktive Lasten wie Motoren, Transformatoren und Magnetspulen von Ihrem Servosystem und seiner Verkabelung fern.

A. Physische Trennung: Halten Sie einen sicheren Abstand zwischen induktiven Lasten und Komponenten oder Kabeln des Servosystems ein, um die Kopplung elektromagnetischer Felder zu verringern.

B. Abschirmung induktiver Lasten: Verwenden Sie Abschirmmaterialien oder Gehäuse um induktive Hochstromkomponenten, um deren Magnetfelder einzudämmen und die Auswirkungen auf nahegelegene Servosysteme zu verringern.

C. Schalttransienten minimieren: Implementieren Sie Snubber, Flyback-Dioden oder andere Techniken zur Unterdrückung von Transienten, um Spannungs- und Stromspitzen zu reduzieren, die durch das Schalten induktiver Lasten entstehen.

8. Differenzielle Signalisierung verwenden: Nutzen Sie die differenzielle Signalisierung für kritische Signale, z. B. Encoder-Feedback, da sie im Vergleich zur Single-Ended-Signalisierung eine bessere Störfestigkeit bietet.

A. Differentialübertragung: Übertragen Sie Signale als Paar komplementärer Spannungen, wobei der Empfänger die Differenz zwischen den beiden Spannungen erkennt und jegliches Gleichtaktrauschen, das entlang des Übertragungspfads aufgenommen wird, unterdrückt.

B. Ausgeglichene Impedanz: Stellen Sie sicher, dass die Impedanz der beiden Leiter in einem Differenzialpaar eng angepasst ist, was dazu beiträgt, die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und die Störanfälligkeit zu verringern.

C. Differenzempfänger: Verwenden Sie Differenzempfänger, die die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen verstärken und gleichzeitig Gleichtaktrauschen und Interferenzen unterdrücken.

9. Auf Erdschleifen prüfen: Überprüfen Sie Ihr System auf Erdschleifen, die eine Geräuschquelle darstellen können. Verwenden Sie bei Bedarf Isolationstechniken wie Optoisolatoren, um Erdschleifen zu unterbrechen.

A. Erdschleifen identifizieren: Verwenden Sie ein Multimeter oder Oszilloskop, um Potenzialunterschiede zwischen verschiedenen Erdungspunkten im System zu messen, die auf das Vorhandensein von Erdschleifen hinweisen können.

B. Isolationstechniken: Verwenden Sie Optoisolatoren, Isolationstransformatoren oder andere Isolationsgeräte, um Erdschleifen zu unterbrechen und zu verhindern, dass Rauschen durch das System zirkuliert.

C. Korrekte Kabelerdung: Stellen Sie sicher, dass die Signal- und Abschirmungserdung ordnungsgemäß durchgeführt wird. Verwenden Sie Einzelpunkt-Erdungstechniken, um die Gefahr der Bildung von Erdungsschleifen zu minimieren.

10. Richtige Komponentenauswahl: Wählen Sie Komponenten wie Servoantriebe und Controller mit integrierter Rauschfilterung und Immunitätsfunktionen. Falls nicht verfügbar, installieren Sie externe EMI-RFI-Filter an empfindlichen Geräten.

A. Störfestigkeitsspezifikationen: Wählen Sie Komponenten mit robusten Störfestigkeitsspezifikationen aus, z. B. einem hohen Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) und einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

B. Integrierte Filterung: Entscheiden Sie sich für Komponenten mit integrierten Filterfunktionen wie EMI-Filter oder Tiefpassfilter, um die Auswirkungen von Rauschen auf die Systemleistung zu reduzieren.

C. Einhaltung von Standards: Stellen Sie sicher, dass die ausgewählten Komponenten den relevanten Industriestandards für Lärm und Interferenzen entsprechen, wie z. B. FCC-, CE- oder IEC-Standards, die eine Grundlage für eine akzeptable Geräuschleistung bieten können.

11. Regelmäßige Wartung: Überprüfen und warten Sie Ihr Servosystem regelmäßig. Überprüfen Sie, ob lose Verbindungen, beschädigte Kabel und abgenutzte Komponenten vorhanden sind, die zu Geräuschen führen können.

A. Überprüfen Sie Kabel und Verbindungen: Überprüfen Sie die Kabel regelmäßig auf Beschädigungen, Ausfransungen oder lose Verbindungen, die zu Rauschen oder Signalverschlechterung beitragen könnten. Ersetzen Sie beschädigte Kabel nach Bedarf.

B. Überprüfen Sie die Erdungsintegrität: Stellen Sie sicher, dass die Erdungsverbindungen sauber, sicher und frei von Oxidation bleiben, was den Kontaktwiderstand erhöhen und die Wirksamkeit der Rauschunterdrückung verringern kann.

C. Überwachen Sie den Zustand der Komponenten: Bewerten Sie regelmäßig den Zustand kritischer Komponenten wie Motoren, Encoder und Steuerungen und ersetzen Sie alle abgenutzten oder fehlerhaften Teile, um eine optimale Systemleistung und Störfestigkeit aufrechtzuerhalten.

12. Testen und analysieren: Verwenden Sie ein Oszilloskop oder einen Spektrumanalysator, um die Geräuschquelle zu identifizieren und die Wirksamkeit Ihrer Maßnahmen zur Geräuschreduzierung zu überprüfen. Nehmen Sie bei Bedarf Anpassungen vor, um das elektrische Rauschen weiter zu reduzieren.

A. Identifizierung von Geräuschquellen: Analysieren Sie das Geräuschprofil und das Frequenzspektrum des Systems, um die Störquellen zu lokalisieren und Ihre Bemühungen zur Geräuschreduzierung gezielter zu gestalten.

B. Bewerten Sie Techniken zur Lärmminderung: Testen Sie die Wirksamkeit implementierter Lärmminderungsmaßnahmen wie Abschirmung, Erdung oder Filterung, indem Sie die Lärmleistung des Systems vor und nach den Änderungen vergleichen.

C. Iterative Verbesserungen: Verfeinern und optimieren Sie Ihre Rauschunterdrückungsstrategien kontinuierlich auf der Grundlage von Testergebnissen und Analysen und stellen Sie so das höchstmögliche Maß an Störfestigkeit und Systemleistung sicher.

Während die oben genannten Schritte und Techniken die meisten kritischen Aspekte der Beseitigung von elektrischem Rauschen in Servosystemen abdecken, müssen einige zusätzliche Überlegungen und Ausreißer berücksichtigt werden:

1. Umgebungsfaktoren: Achten Sie auf externe Lärmquellen, wie z. B. Hochfrequenzstörungen (RFI) von Geräten in der Nähe, drahtlosen Geräten oder leistungsstarken elektrischen Systemen, die möglicherweise zusätzliche Abschirmungs- oder Isolationsmaßnahmen erfordern.

2. Design auf Systemebene: Berücksichtigen Sie die Gesamtarchitektur und das Layout Ihres Servosystems, einschließlich der Platzierung der Komponenten, der Kabelführung und des Gehäusedesigns, um die Geräuschkopplung zwischen verschiedenen Teilen des Systems zu minimieren.

3. Softwarebasierte Filterung: Implementieren Sie softwarebasierte Filtertechniken wie digitale Filterung oder Signalverarbeitungsalgorithmen, um die Störfestigkeit Ihres Systems weiter zu verbessern, indem Sie Rauschen aus den erfassten Daten oder Steuersignalen eliminieren.

4. Schulung und Ausbildung: Stellen Sie sicher, dass das technische und technische Personal, das am Servosystem arbeitet, gut geschult ist und sich mit Techniken zur Geräuschreduzierung sowie bewährten Methoden für die Installation, Einrichtung und Wartung des Systems auskennt.

5. Maßgeschneiderte Lösungen: Beachten Sie, dass einige Anwendungen oder Umgebungen möglicherweise maßgeschneiderte Lösungen zur Geräuschreduzierung erfordern, die spezielle Komponenten, Materialien oder Techniken umfassen können, die auf die spezifischen Herausforderungen der Anwendung zugeschnitten sind.

6. Bleiben Sie über Fortschritte auf dem Laufenden: Bleiben Sie über neue Technologien, Materialien oder Methoden informiert, die zur Reduzierung des elektrischen Rauschens in Servosystemen auf den Markt kommen könnten. Die Integration der neuesten Fortschritte kann dazu beitragen, die Leistung und Zuverlässigkeit Ihres Systems zu verbessern.

Durch die Einhaltung dieser Richtlinien, einschließlich ordnungsgemäßer Erdung, Abschirmung, Kabelführung, Rauschfilterung, Komponentenauswahl und regelmäßiger Wartung, können Ingenieure die Auswirkungen von elektromagnetischen Störungen auf die Leistung des Servosystems effektiv minimieren und ein Höchstmaß an Genauigkeit und Stabilität aufrechterhalten.

Über Electromate Inc. Electromate Inc. ist unter der Führung seines Gründers und Präsidenten Warren Osak ein renommierter und angesehener Distributor für industrielle Automatisierung, der sich auf die Bereitstellung fortschrittlicher Bewegungssteuerung sowie robotischer und mechatronischer Lösungen spezialisiert hat. Mit mehr als 35 Jahren Erfahrung und umfassendem technischem Fachwissen im Bereich der Automatisierung ist Electromate bestrebt, Beratung und Wissensaustausch anzubieten, um Ingenieuren bei der Bewältigung von Herausforderungen und der Optimierung ihrer Servosysteme für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen zu helfen.

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