數控系統的抗干擾措施

鄒東昀

摘要：電磁干擾是一種普遍存在的現象，對數控系統的正常工作有負面影響，抗干擾措施是數控系統設計中必須考慮的問題。電路設計和工藝設計的優化可以有效消除或者部分抵消電磁干擾的破壞作用。

關鍵詞：電磁干擾；抗干擾；設計優化

數控系統的設計要求系統動作準確無誤，每個控制動作都要達到它想要的目的。造成數控系統工作不正常的原因除了系統故障外大部分是受到外界電磁干擾。

電磁干擾源可以分為兩大類：自然干擾源與和人為干擾源。自然干擾源主要來源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為干擾源是人工裝置工作過程中產生的電磁能量干擾，其中一部分是專門用來發射電磁能量的裝置，如廣播、電視、通信、雷達和導航等無線電設備，稱為有意發射干擾源。另一部分是在完成自身功能的同時附帶產生電磁能量的發射，如電火花線切割機床，電動機械、家用電器以及工業、醫用射頻設備等等。因此這部分又成為無意發射干擾源。

1.本文只針對人為干擾源中的無意發射干擾源的抗干擾措施進行一些探討。

常見的抗干擾措施一般有以下幾種：

1.1.利用接地技術消除電磁干擾

要確保數控系統中的所有設備接地良好，需要根據數控系統工作電流按照相關國家標準選用符合要求線徑的接地線（黃綠線）連接到電源進線接地點（PE）的接地母排上。接地線（黃綠線）應該盡可能的短以保證接地電阻值符合相關國家標準要求。尤其要注意包括變頻器、開關電源，電機驅動器等工作時有高頻開關脈沖以及變壓器、供電設備等產生工頻干擾的設備的可靠接地。

1.2.使用濾波電路降低干擾

數控系統電源增加濾波線路措施可以有：數控系統電源的交流輸入線路中串接一電抗器，它可以降低諧波成分，增加電源阻抗，并幫助吸收附近設備投入工作時產生的浪涌電壓和主電源的尖峰電壓，確保電源不受電網供電電壓波動影響；數控系統電源的直流輸出線路中使用低通濾波器，采用低通濾波器后可以有效濾除高頻干擾產生的毛刺脈沖，穩定的直流輸出電壓可以確保數控系統電路的工作可靠。

1.3.優化印制板布局設計

優化印制板布局設計主要要考慮印制板上元器件的布局、元器件連接銅皮的走向布局、濾波電容的位置布局和不同類型電路的位置布局。一般來說印制板布局設計要做到以下幾點：

1.3.1.器件之間的傳輸連接線盡可能短；

1.3.2.走強電信號的元器件和走弱電信號的元器件盡可能放置在不同區域；

1.3.3.模擬電路和數字電路應盡可能分區域放置；

1.3.4.電源濾波電容應靠近用電器件。

1.3.5.地線的設計應做到小電流向大電流會聚，如果構成了回路，應盡可能縮小回路面積；

1.4.優化弱電信號線路設計

在數控系統中控制信號通常是弱電信號，供電電壓一般是5V-24V，電流也是mA級的，這樣的信號很容易被外界的強干擾（如電火花線切割機床大電流放電時產生的高頻脈沖干擾）影響，造成數控系統誤動作或者不動作。針對這些干擾在電路設計上采取一些補救措施就成為設計中必須考慮的問題。

1.5.利用屏蔽技術減少電磁干擾

如果數控系統抗干擾措施不力會出現下列現象：看到液晶顯示屏幕上出現很多白色斑點，有時候斑點多到讓用戶無法忍受；屏幕上出現一些誤報信息；鍵盤或者觸摸屏按下沒有反應；主控計算機死機或者自動重新啟動等等。

出現上述現象的原因是：數控系統附近存在一個強電磁場，強電磁場的輻射使得在數控系統工作環境充滿電磁干擾噪聲，數控系統的控制電路在這樣的環境里會耦合電磁波，干擾系統的正常工作；數控系統內部導線也暴露在這個電磁場里，感應電磁干擾噪聲，感應噪聲經過導線傳遞到電路的其余部分從而破壞電路的正常工作；另外由于部分強電流信號線路和弱電流信號線路共用一個地線，通過公共負載電磁干擾也被耦合到弱電流信號線路中，對于弱電流信號這樣的耦合會改變信號電平，引發錯誤信號，造成系統出錯，甚至系統直接崩潰。

要解決這些問題除了前文提到的一些措施外還可以利用屏蔽技術減少電磁干擾。

1.6.數控系統內部連線的處理

數控系統內部連線有時候會很長，容易受到干擾，為提高控制信號在傳輸過程中的抗干擾能力可以采取以下一些措施：

1.6.1.傳輸電纜上套磁環

傳輸電纜上套磁環有兩種方式：一種是選一磁環內徑略大于電纜外徑的磁環，將磁環直接套在電纜上后再做電纜和連接件的連接；另一種是選用磁環內徑足夠大的磁環，將電纜做8字繞法，穿過磁環后再做電纜和連接件的連接。兩種方式中8字繞法抗干擾效果更好一些。不同磁環材料的性能有所差異，因此根據需要磁環工作頻率選擇不同的材料。普通磁環材料有鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，它們的差異主要在磁導率：錳鋅鐵氧體的磁導率在幾千到上萬，鎳鋅鐵氧體在幾百到上千。鐵氧體的磁導率越高，其低頻時的阻抗越大，高頻時的阻抗越小。所以，在抑制高頻干擾時，宜選用鎳鋅鐵氧體；反之則用錳鋅鐵氧體。或在同一束電纜上同時套上錳鋅和鎳鋅鐵氧體，這樣可以抑制的干擾頻段較寬。

1.6.2.供電電纜和控制信號電纜分開走線，并且要有保持一定距離。如果可能經不同的金屬走線槽走線來保證隔離效果。

1.7.軟件抗干擾

高頻干擾通常是脈寬不寬的隨機脈沖，利用這個特點數控系統可以在控制軟件中進行一些處理。具體地說就是對于控制系統發出的輸出信號如果是維持一種狀態的信號可以隔一段時間就重復發一次信號，確保狀態信號不會因為受干擾而改變；如果發出輸出信號僅僅是實現一個動作，那么為保證實現這個動作可以連續發幾個相同信號來避免輸出信號被干擾信號掩蓋；控制系統對輸入信號的處理可以連續讀輸入端口的數據幾次確保讀入的數據正確。

2.結束語

在工業高度發展的今天，各種電氣設備的使用已是普遍現象，其中不少設備會產生強烈的電磁干擾，造成數控系統不受干擾幾乎是不可能的，因此如何設計數控系統來保證數控功能可靠穩定的實現需要認真考慮。抗干擾措施多種多樣，前文提到的那些措施也不是很完全，設計人員應根據不同數控系統具體的工作方式、工作環境采用適合的抗干擾措施。

參考文獻：

[1] 鄭曉峰. 《數控原理與系統》.北京：機械工業出版社

[2] 劉國通，李傳偉. 《屏蔽和接地在數控系統抗干擾中的應用》

[3] 王宏穎. 《抗干擾在數控系統中的設計》[J].機床電器