淺談數(shù)控化改造電磁兼容性探究

屈海軍

(徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州221011)

0 引言

數(shù)控機(jī)床是電氣和電子工程結(jié)合的機(jī)電一體化設(shè)備。電氣強(qiáng)電和電子弱電在同一系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，電磁兼容性（EMC）問題將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一。

電磁兼容性（EMC 即Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，不得超過其使用的場合允許水平，確保電氣設(shè)備可以正常使用。在一定程度上，研究電磁兼容性（EMC）就是研究干擾和抗干擾問題。

1 電磁干擾原因

1.1 強(qiáng)弱電的兼容產(chǎn)生電磁干擾的三個(gè)元素是電磁干擾源、 傳播途徑和敏感設(shè)備

1.1.1 電磁騷擾源

電磁騷擾源是客觀存在的，只要是用電設(shè)備就會(huì)成為電磁騷擾源。當(dāng)用電設(shè)備使用過程中影響了相關(guān)敏感設(shè)備（弱電設(shè)備）正常工作時(shí)電磁騷擾源才會(huì)出現(xiàn)電磁干擾。所以說電磁干擾和電磁騷不是一個(gè)概念。

1.1.2 傳輸途徑

電磁干擾一般通過電線或電纜傳播，有的時(shí)候也會(huì)通過空間以輻射波的形式傳播。差模電流或共模電流都可能產(chǎn)生輻射波。差模電流的輻射源是指同一電源的電氣設(shè)備，如電腦、元件、電機(jī)等。共模電流的輻射源是指不同電源通過電磁感應(yīng)出現(xiàn)的輻射源，在設(shè)備機(jī)架或外殼出現(xiàn)耦合電磁感應(yīng)電流。

電磁輻射是高阻抗電場源或低阻抗磁場源把電子電離發(fā)散。電磁輻射的強(qiáng)度取決于輻射源的頻率、性質(zhì)和距離，一般如變壓器、高頻電器等。

1.1.3 敏感設(shè)備

電氣設(shè)備的電磁干擾一般都是由于傳導(dǎo)、輻射，電磁干擾強(qiáng)度和設(shè)備的抗干擾能力決定電氣設(shè)備是否受到干擾，影響設(shè)備的正常工作，這就是電氣設(shè)備的電磁敏感性。電氣設(shè)備的抗干擾能力通常決定于電氣設(shè)備中敏感電路或元件。

1.2 在機(jī)床數(shù)控化改造中常常會(huì)造成數(shù)控系統(tǒng)故障，其中不易發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要原因是干擾。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大致有下面幾種原因

1.2.1 機(jī)床裝配工藝

機(jī)床裝配工藝不好會(huì)引起性能的干擾項(xiàng)。①不使用共點(diǎn)接地法。一些生產(chǎn)的機(jī)床接線不規(guī)范，隨意就近接地導(dǎo)致多點(diǎn)接地，形成等電勢(shì)環(huán)。②虛接或虛焊的接地點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致電阻增大產(chǎn)生噪音。③數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)信號(hào)通信，使用屏蔽電纜連接，不當(dāng)屏蔽過程或不按照規(guī)定的連接也是造成干擾因素之一。

1.2.2 強(qiáng)電干擾

機(jī)床電氣柜中的接觸器、繼電器等電氣元件都會(huì)干擾數(shù)控系統(tǒng)弱電信號(hào)。接觸器、繼電器、電機(jī)的頻繁啟動(dòng)和停止都會(huì)造成弱電控制電路出現(xiàn)尖峰或浪涌導(dǎo)致無法正常工作。因此我們必須把這些電磁干擾消除。

一般在交流接觸器的線圈或三相交流電機(jī)的輸入端并聯(lián)RC 網(wǎng)絡(luò)，在直流接觸器的線圈或直流電磁閥的兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，這種連接方式可以干擾電氣產(chǎn)生的噪聲。但要記住，這些連接線路應(yīng)不超過20cm，否則，吸收噪聲效果不好。

在檢查數(shù)控系統(tǒng)的輸入控制電路電源的同時(shí)使用浪涌吸收器與電源線并聯(lián)，它可以吸收電網(wǎng)的峰值電壓，起到保護(hù)的作用。

1.2.3 供電線路的干擾

由于我國局部地區(qū)電力不足、電壓不穩(wěn)和用戶廠電網(wǎng)分配不合理等因素造成供電線路的干擾。現(xiàn)象可歸納為過壓、欠壓、諧波失真、噪聲等原因。為防止供電電線路干擾可采取下列措施：

在電網(wǎng)電壓變化較大的地區(qū)，應(yīng)在數(shù)控系統(tǒng)的輸入電源前增加電子穩(wěn)壓器，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓波動(dòng)。條件允許情況下可加電源調(diào)節(jié)器，這樣效果更好，但切記不可串聯(lián)自耦變壓器。用戶的電源線路的容量必須滿足數(shù)控機(jī)床電氣容量。

數(shù)控機(jī)床不能和電火花設(shè)備等大功率起、停頻繁的設(shè)備同用一個(gè)電源支路，防止那些設(shè)備通過電源線路干擾CNC 系統(tǒng)信號(hào)。數(shù)控機(jī)床放置還要遠(yuǎn)離高頻感應(yīng)器等變頻設(shè)備。

2 電磁抗干擾措施

2.1 為了確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全，抗干擾能力強(qiáng)的措施必須采取良好的做法。提高系統(tǒng)的可靠性所用的硬件措施，除了設(shè)計(jì)合理線路還有以下幾個(gè)方面：

（1）元器件完好；

（2）合理電源和接地；

（3）加強(qiáng)總線的驅(qū)動(dòng)能力，通過總線驅(qū)動(dòng)電路，以避免因負(fù)載波動(dòng)引起行為異常的；

（4）輸入、輸出信號(hào)使用光電耦合來隔離，防止干擾信號(hào)干擾CNC控制板。

數(shù)控系統(tǒng)包含強(qiáng)電氣設(shè)備和弱電氣設(shè)備，強(qiáng)電氣設(shè)備如各種交、直伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)，弱電氣設(shè)備如控制和信號(hào)處理設(shè)備和傳感器等電子設(shè)備。強(qiáng)電氣設(shè)備會(huì)對(duì)弱電氣設(shè)備構(gòu)成極大的威脅，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。該系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的電磁環(huán)境較為惡劣，供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)載騷擾外，大氣騷擾等設(shè)備內(nèi)的騷擾，弱電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，由于弱電氣設(shè)備是用來控制強(qiáng)電氣設(shè)備，故弱電氣設(shè)備如果受到干擾，會(huì)最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

針對(duì)電磁干擾的三要素，通過抑制電磁干擾發(fā)射的電磁干擾措施，切斷電磁傳播途徑，以提高敏感的設(shè)備抗干擾能力，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電磁兼容的要求最常用的屏蔽、濾波、接地三大技術(shù)。盾，屏蔽可以切斷空間輻射途徑。濾波可以切斷電線傳導(dǎo)途徑。接地可以影響設(shè)備內(nèi)、外的電磁兼容性。

2.2 限制電氣設(shè)備產(chǎn)生騷擾的措施

（1）在騷擾源處抑制，通過采用電容器、電感器、二級(jí)管、齊納管、壓敏電阻、有源器件或這些元件的組合；

（2）設(shè)備采用有電氣連接的導(dǎo)電護(hù)殼作屏蔽，以此構(gòu)成對(duì)其他設(shè)備的隔離；

（3）采用合適的濾波器和時(shí)延，選用合適的電平，合理的布線形式等，應(yīng)消除不應(yīng)有的靜電放電效應(yīng)，以及放射電磁能和負(fù)荷饋線產(chǎn)生的騷擾。

2.3 降低設(shè)備上騷擾效應(yīng)的措施

（1）電路接參考電位：每個(gè)電路連接到接地平面（底板）的端子上，用大截面絕緣導(dǎo)線連接到地。

（2）設(shè)備可導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件互連：可導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件用盡可能短的大截面導(dǎo)體連接到公共點(diǎn)上。導(dǎo)體件借助滑動(dòng)觸點(diǎn)或鉸鏈用大截面編織導(dǎo)體連接到設(shè)備外殼。

（3）布線規(guī)范：用靜電屏蔽、電磁屏蔽、采用雙絞線和電纜定向走線（如交叉電纜走線接近實(shí)際可行的90°），以保證低電平信號(hào)的布線不受控制或動(dòng)力電纜的干擾影響，必要時(shí)連接走線平行接近接地平板。

（4）設(shè)備分離：把靈敏的設(shè)備（帶有脈沖和/或低電平信號(hào)工作單元）同一些開關(guān)設(shè)備（電磁繼電器、接觸器等）分離、屏蔽或分離加屏蔽。低電平信號(hào)布線與控制電纜和動(dòng)力電纜分離。

3 數(shù)控化改造抗干擾措施

通常機(jī)床數(shù)控化改造廠家和數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家均采用下列方法避免干擾：

3.1 減少供電線路干擾

數(shù)控機(jī)床的安置要遠(yuǎn)離中頻、高頻的電氣設(shè)備；要避免大功率起動(dòng)、停止頻繁的設(shè)備，電火花設(shè)備同數(shù)控機(jī)床位于同一供電干線上，最好是采用獨(dú)立的動(dòng)力線供電。

3.2 減少機(jī)床控制中的干擾

數(shù)控機(jī)床的機(jī)床電柜控制線路中要求盡可能將機(jī)床強(qiáng)電控制線路和弱電控制線路及信號(hào)反饋線路分開布線，并且強(qiáng)調(diào)相關(guān)信號(hào)線路使用屏蔽電纜線。

3.3 屏蔽

屏蔽技術(shù)利用金屬材料制成容器，將需要防護(hù)的電路或線路包在其中，可以防止電場或磁場的耦合干擾。

3.4 保證“接地”良好

“接地”是數(shù)控機(jī)床安裝中一項(xiàng)關(guān)鍵的抗干擾技術(shù)措施。電網(wǎng)的許多干擾都是通過“接地”這條途徑對(duì)機(jī)床起作用的。

［1］劉戰(zhàn)術(shù)，竇凱.數(shù)控機(jī)床及其維護(hù)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

［2］陳子銀，屈海軍.數(shù)控機(jī)床電氣控制[M].北京理工大學(xué)出版社，2008.

［3］陳子銀，陳為華.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用[M].北京理工大學(xué)出版社，2008.