淺談數控化改造電磁兼容性探究

屈海軍

(徐州機電工程高等職業學校，江蘇 徐州221011)

0 引言

數控機床是電氣和電子工程結合的機電一體化設備。電氣強電和電子弱電在同一系統內運行，電磁兼容性（EMC）問題將導致數控機床能否可靠運行的關鍵之一。

電磁兼容性（EMC 即Electromagnetic Compatibility）是指設備或系統在電磁環境中符合要求運行并不對環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。電氣設備產生的電磁干擾，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 強弱電的兼容產生電磁干擾的三個元素是電磁干擾源、 傳播途徑和敏感設備

1.1.1 電磁騷擾源

電磁騷擾源是客觀存在的，只要是用電設備就會成為電磁騷擾源。當用電設備使用過程中影響了相關敏感設備（弱電設備）正常工作時電磁騷擾源才會出現電磁干擾。所以說電磁干擾和電磁騷不是一個概念。

1.1.2 傳輸途徑

電磁干擾一般通過電線或電纜傳播，有的時候也會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生輻射波。差模電流的輻射源是指同一電源的電氣設備，如電腦、元件、電機等。共模電流的輻射源是指不同電源通過電磁感應出現的輻射源，在設備機架或外殼出現耦合電磁感應電流。

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

1.1.3 敏感設備

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

1.2 在機床數控化改造中常常會造成數控系統故障，其中不易發現一個重要原因是干擾。根據經驗，大致有下面幾種原因

1.2.1 機床裝配工藝

機床裝配工藝不好會引起性能的干擾項。①不使用共點接地法。一些生產的機床接線不規范，隨意就近接地導致多點接地，形成等電勢環。②虛接或虛焊的接地點會導致電阻增大產生噪音。③數控系統主機信號通信，使用屏蔽電纜連接，不當屏蔽過程或不按照規定的連接也是造成干擾因素之一。

1.2.2 強電干擾

機床電氣柜中的接觸器、繼電器等電氣元件都會干擾數控系統弱電信號。接觸器、繼電器、電機的頻繁啟動和停止都會造成弱電控制電路出現尖峰或浪涌導致無法正常工作。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的輸入端并聯RC 網絡，在直流接觸器的線圈或直流電磁閥的兩端并聯續流二極管，這種連接方式可以干擾電氣產生的噪聲。但要記住，這些連接線路應不超過20cm，否則，吸收噪聲效果不好。

在檢查數控系統的輸入控制電路電源的同時使用浪涌吸收器與電源線并聯，它可以吸收電網的峰值電壓，起到保護的作用。

1.2.3 供電線路的干擾

由于我國局部地區電力不足、電壓不穩和用戶廠電網分配不合理等因素造成供電線路的干擾。現象可歸納為過壓、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：

在電網電壓變化較大的地區，應在數控系統的輸入電源前增加電子穩壓器，穩定電網電壓波動。條件允許情況下可加電源調節器，這樣效果更好，但切記不可串聯自耦變壓器。用戶的電源線路的容量必須滿足數控機床電氣容量。

數控機床不能和電火花設備等大功率起、停頻繁的設備同用一個電源支路，防止那些設備通過電源線路干擾CNC 系統信號。數控機床放置還要遠離高頻感應器等變頻設備。

2 電磁抗干擾措施

2.1 為了確保系統的運行安全，抗干擾能力強的措施必須采取良好的做法。提高系統的可靠性所用的硬件措施，除了設計合理線路還有以下幾個方面：

（1）元器件完好；

（2）合理電源和接地；

（3）加強總線的驅動能力，通過總線驅動電路，以避免因負載波動引起行為異常的；

（4）輸入、輸出信號使用光電耦合來隔離，防止干擾信號干擾CNC控制板。

數控系統包含強電氣設備和弱電氣設備，強電氣設備如各種交、直伺服驅動器及伺服電機、步進電機驅動器及步進電機，弱電氣設備如控制和信號處理設備和傳感器等電子設備。強電氣設備會對弱電氣設備構成極大的威脅，產生強烈的電磁干擾。該系統在生產現場的電磁環境較為惡劣，供電系統的動態負載騷擾外，大氣騷擾等設備內的騷擾，弱電氣設備會產生嚴重的影響，由于弱電氣設備是用來控制強電氣設備，故弱電氣設備如果受到干擾，會最終導致整個系統的癱瘓。

針對電磁干擾的三要素，通過抑制電磁干擾發射的電磁干擾措施，切斷電磁傳播途徑，以提高敏感的設備抗干擾能力，數控系統實現電磁兼容的要求最常用的屏蔽、濾波、接地三大技術。盾，屏蔽可以切斷空間輻射途徑。濾波可以切斷電線傳導途徑。接地可以影響設備內、外的電磁兼容性。

2.2 限制電氣設備產生騷擾的措施

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

（2）設備采用有電氣連接的導電護殼作屏蔽，以此構成對其他設備的隔離；

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

2.3 降低設備上騷擾效應的措施

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

（2）設備可導電結構件互連：可導電結構件用盡可能短的大截面導體連接到公共點上。導體件借助滑動觸點或鉸鏈用大截面編織導體連接到設備外殼。

（3）布線規范：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際可行的90°），以保證低電平信號的布線不受控制或動力電纜的干擾影響，必要時連接走線平行接近接地平板。

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

3 數控化改造抗干擾措施

通常機床數控化改造廠家和數控機床生產廠家均采用下列方法避免干擾：

3.1 減少供電線路干擾

數控機床的安置要遠離中頻、高頻的電氣設備；要避免大功率起動、停止頻繁的設備，電火花設備同數控機床位于同一供電干線上，最好是采用獨立的動力線供電。

3.2 減少機床控制中的干擾

數控機床的機床電柜控制線路中要求盡可能將機床強電控制線路和弱電控制線路及信號反饋線路分開布線，并且強調相關信號線路使用屏蔽電纜線。

3.3 屏蔽

屏蔽技術利用金屬材料制成容器，將需要防護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”是數控機床安裝中一項關鍵的抗干擾技術措施。電網的許多干擾都是通過“接地”這條途徑對機床起作用的。

［1］劉戰術，竇凱.數控機床及其維護[M].北京：人民郵電出版社，2010.

［2］陳子銀，屈海軍.數控機床電氣控制[M].北京理工大學出版社，2008.

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