0 引言

　　數(shù)控機(jī)床所使用的各種類型數(shù)控系統(tǒng)，無(wú)論其結(jié)構(gòu)如何，是安裝在電氣控制柜中，還是安裝在數(shù)控機(jī)床的操縱臺(tái)上，它們都處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，一方面要求數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求在數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 干擾對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的影響

　　影響數(shù)控系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電磁干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件安裝和外部電磁環(huán)境條件等。這些因素對(duì)數(shù)控系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差

　　干擾侵入數(shù)控系統(tǒng)測(cè)量單元的輸入通道，疊加在測(cè)量信號(hào)上，會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)采集誤差。主要表現(xiàn)在各個(gè)坐標(biāo)軸和主軸速度或位置反饋數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。

　　(2)影響數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)設(shè)備

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)程序、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等都分別存在程序存儲(chǔ)器EPROM或FLASH中，從而可以避免了這些數(shù)據(jù)受干擾破壞。但是，零件加工程序、機(jī)床數(shù)據(jù)、刀具數(shù)據(jù)以及PMC程序等，都是存儲(chǔ)在片內(nèi)RAM中，這些數(shù)據(jù)極有可能受到外界干擾而發(fā)生變化。

　　(3)控制失靈

　　數(shù)控輸出的控制信號(hào)通常依賴于某些條件的狀態(tài)輸入信號(hào)和對(duì)這些信號(hào)的邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的狀態(tài)信號(hào)受到干擾，引入虛假狀態(tài)信息，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。

　　(4)程序運(yùn)行失常

　　外界的干擾有時(shí)導(dǎo)致機(jī)器頻繁復(fù)位而影響程序的正常運(yùn)行。若外界干擾導(dǎo)致數(shù)控程序計(jì)數(shù)器PC值的改變，則破壞了程序的正常運(yùn)行。由于受干擾后的PC值是隨機(jī)的，程序?qū)��?zhí)行一系列毫無(wú)意義的指令，最后進(jìn)入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴(yán)重混亂或死機(jī)。

2 抗電磁干擾的措施

　　電磁干擾的途徑大致有以下各種。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)電源的干擾、通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)接口的干擾、來(lái)自空間的輻射干擾、來(lái)自不良接地系統(tǒng)的干擾和來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。我們總結(jié)得出，電磁干擾的機(jī)理主要表現(xiàn)為電容性耦合、電感性耦合、電磁場(chǎng)輻射三種形式。在抗干擾的實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，主要干擾是由電容耦合和電感耦合造成的，電磁場(chǎng)輻射的干擾相對(duì)較小，主要的措施就是屏蔽和高壓泄放元件的保護(hù)。下面我們主要分析前兩種耦合造成的干擾和所采取的措施。

　　2.1 接地抗干擾措施

　　大地是一個(gè)靜電容量很大的導(dǎo)體，具有恒定的電位。如果用一個(gè)導(dǎo)體與其可靠連接的話，那么該導(dǎo)體的電位也是恒定的，我們把該電位叫做零電位，它是電位的參考點(diǎn)。然而，512程實(shí)踐中總是存在一定的接地電阻，這樣不同的接地點(diǎn)之間就會(huì)存在電位差。當(dāng)我們用一根導(dǎo)線連接不同的接地點(diǎn)時(shí)，在導(dǎo)線中就可能有電流流動(dòng)，這稱為地環(huán)電流。這實(shí)際上就是干擾源之一。圖1等效示意了信號(hào)源地線和放大器地線之間的電位差形成的干擾源Eg，它對(duì)電路主要造成共模形式的干擾。

圖1接地電位差和電磁干擾造成的共模電壓的等效圖 

　　然而，由電磁干擾源Ecm和Eg形成的共模電壓，其中一部分會(huì)轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接對(duì)電路造成干擾。假設(shè)信號(hào)源Es=0，即只考慮干擾源Ecm和Eg的作用時(shí)。因?yàn)閕，回路和i2回路阻抗不相等，因此，回路電流i1和i2也不相等。于是兩個(gè)電流的差在放大器的輸入電阻上形成了差模電壓。

　　接地抗干擾技術(shù)主要是避開(kāi)地環(huán)電流的干擾和降低公共地線阻抗的耦合干擾。接地方式可以是集中接地或多點(diǎn)接地，集中接地可以有效地避開(kāi)了地環(huán)電流。在集中接地方式下，并聯(lián)接地則是降低公共地線阻抗的耦合干擾的有效措施，它是工業(yè)控制系統(tǒng)采用的最基本的接地方法。以下就是集中接地的兩種形式的分析。

　　在圖2 a所示意的串聯(lián)接地方式中，電路1、2、3各有一個(gè)電流i₁、i₂、i₃流向接地點(diǎn)。由于地線存在電阻，因此，A、B、C點(diǎn)的電位不再是零，于是各個(gè)電路間相互發(fā)生干擾。尤其是強(qiáng)信號(hào)電路將嚴(yán)重干擾弱信號(hào)電路。如果必須要這樣使用，應(yīng)當(dāng)盡力減小公共地線的阻抗，使其能達(dá)到系統(tǒng)的抗干擾容限要求。串聯(lián)的次序是，最怕干擾的電路的地接A點(diǎn)，而最不怕干擾的電路的地應(yīng)當(dāng)接c點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)按照?qǐng)D2 b所示意的并聯(lián)接地方式使用。并聯(lián)接地中各個(gè)電路的地電位只與其自身的地線阻抗和地電流有關(guān)，互相之間不會(huì)造成耦合干擾。因此，有效地克服了公共地線阻抗的耦合干擾問(wèn)題，工程實(shí)踐中應(yīng)盡量采用并聯(lián)接地方式。但是，雖然采用了并聯(lián)接地方式，但是地線截面積仍然要滿足要求，以使各個(gè)電路部件之間的地電位差盡量減小。這樣，當(dāng)各個(gè)部件之間有信號(hào)傳送時(shí)，才可以減小地線環(huán)流的干擾。

圖2電路部件的一點(diǎn)接地

　　然而，工業(yè)控制系統(tǒng)接地的含義不一定就是接大地。例如直流接地只是定義電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位。它可以懸浮。但要求與大地嚴(yán)格絕緣。通常，其絕緣電阻要達(dá)到50 MΩ以上。直流地懸浮隔離了交流地網(wǎng)的干擾，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，工程中經(jīng)常使用。直流地懸浮的缺點(diǎn)是機(jī)器容易帶靜電，如果該靜電電位過(guò)高，會(huì)損壞器件，擊傷操作人員等等；而且，如果這時(shí)直流地與大地的絕緣電阻減小，可能會(huì)產(chǎn)生很多原先沒(méi)有想到的干擾。直流地接大地，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，要埋設(shè)一個(gè)不大于4Ω的獨(dú)立接地體。但無(wú)論直流地懸浮或者接大地，直流地與大地之間的電位都存在著間接或者直接的關(guān)系。數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的各種輸入輸出信號(hào)之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問(wèn)題，有時(shí)還危及數(shù)控系統(tǒng)的安全，這一點(diǎn)一定要注意。

　　2.2 電場(chǎng)耦合的抑制

　　造成電場(chǎng)耦合干擾的原因是兩根導(dǎo)線之間的分布電容產(chǎn)生的耦合。當(dāng)兩導(dǎo)線形成電場(chǎng)耦合干擾時(shí)(如圖3)，導(dǎo)線1在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的對(duì)地干擾電壓VN為：

圖3兩導(dǎo)線電場(chǎng)干擾示意圖 

　　從式(2)可以看出，在干擾源的角頻率w不變時(shí)，要想降低導(dǎo)線2上的被干擾電壓，應(yīng)當(dāng)減小導(dǎo)線1的電壓V₁，減小兩導(dǎo)線之間的分布電容C₁₂，減小導(dǎo)線2對(duì)地負(fù)載電阻R以及增大導(dǎo)線2對(duì)地的總電容C_2G。在這些措施中，可操作性最好的是減小兩導(dǎo)線之間的分布電容C₁₂。即采用遠(yuǎn)離技術(shù)：弱信號(hào)線要遠(yuǎn)離強(qiáng)信號(hào)線敷設(shè)，尤其是遠(yuǎn)離動(dòng)力線路。工程上的“遠(yuǎn)離”概念，通常取干擾導(dǎo)線直徑的40倍，即認(rèn)為足夠了。同時(shí)，避免平行走線也可以減小C₁₂。

　　克服電場(chǎng)耦合干擾最有效的方法是屏蔽。因?yàn)榉胖迷诳招膶?dǎo)體或者金屬網(wǎng)內(nèi)的物體不受外電場(chǎng)的影響。屏蔽電場(chǎng)耦合干擾時(shí)，導(dǎo)線的屏蔽層最好采用單端接地。因在有地環(huán)電流時(shí)，這將在屏蔽層形成磁場(chǎng)，干擾被屏蔽的導(dǎo)線。

圖4屏蔽抑制電場(chǎng)干擾示意圖 

　　2.3 磁場(chǎng)耦合的抑制

　　抑制磁場(chǎng)耦合干擾的好辦法應(yīng)該是屏蔽干擾源。大電機(jī)、電抗器、磁力開(kāi)關(guān)和大電流載流導(dǎo)線等等都是很強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾源。但把它們都用導(dǎo)磁材料屏蔽起來(lái)，在工程上是很難做到的，通常是采用一些被動(dòng)的抑制技術(shù)。

　　如圖5所示，當(dāng)回路1對(duì)回路2造成磁場(chǎng)耦合干擾時(shí)，其在回路2上形成的串聯(lián)干擾電壓“為：

式中，w是干擾信號(hào)的角頻率；L₁是回路1的電感；L_M12是它們之間的互感。L_M12的大小與干擾源回路1形成的磁場(chǎng)鏈接至回路2處的磁通密度和回路2感受磁場(chǎng)感應(yīng)的閉合面積有關(guān)。在干擾源的角頻率w不變時(shí)，要想降低干擾電壓V_N，就是要降低它們的互感，也就是要減少其磁通密度和閉合面積的大小。因此，要有效抑制磁場(chǎng)耦合干擾，仍然是遠(yuǎn)離技術(shù)。同時(shí)，也要避免平行走線。當(dāng)然，屏蔽技術(shù)也是抑制磁場(chǎng)耦合干擾的有效措施。

　　2.4 屏蔽線的使用

　　正如2.2介紹的那樣，屏蔽可以對(duì)電場(chǎng)耦合的干擾具有很好的防護(hù)。同樣，屏蔽對(duì)磁場(chǎng)耦合干擾也具有良好的防護(hù)作用。

　　圖6示出了屏蔽線使用的三種情況。圖6a是單端接地方式。假設(shè)信號(hào)電流i1從芯線流入屏蔽線，流過(guò)負(fù)載電阻RL之后，再通過(guò)屏蔽層返回信號(hào)源。因?yàn)閕1與i2大小相等方向相反，所以它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾相互抵消。這是一個(gè)很好的抑制磁場(chǎng)干擾的措施。同時(shí)它也是一個(gè)很好的抵制磁場(chǎng)耦合干擾的措施。圖6b是兩端接地方式。由于屏蔽層上流過(guò)的電流是i2與地環(huán)電流iG的迭加，所以它不能完全抵消信號(hào)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。因此，它抑制磁場(chǎng)耦合干擾的能力也比圖6a差。圖6a和6b都有屏蔽電場(chǎng)耦合干擾作用。圖6c的屏蔽層懸浮，因此，它只有屏蔽電場(chǎng)耦合干擾能力，而無(wú)抑制磁場(chǎng)耦合干擾能力。

圖6屏蔽線的用法 

　　2.5 雙絞線的使用

　　雙絞線的絞扭節(jié)距把圖5所示的回路分隔成許多的小回路，如果雙絞線的絞扭一致的話，那么這些小回路的磁場(chǎng)面積相等而法方向相反，其磁場(chǎng)干擾可以相互抵消。雙絞線的結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)耦合干擾沒(méi)有抑制能力。當(dāng)給雙絞線加上屏蔽層后，既解決了磁場(chǎng)的干擾，也解決了電場(chǎng)的干擾。圖7示出了雙絞線使用以及與屏蔽層共同使用的示意圖。

圖7雙絞線和屏蔽層的使用 

　　雙絞線最好的應(yīng)用是作平衡式傳輸線路。因?yàn)閮蓷l線的阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾或外部磁場(chǎng)干擾都可以較好的抵消。同時(shí)，平衡式傳輸又具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，因此數(shù)控系統(tǒng)中的模擬量命令和編碼器反饋電纜都強(qiáng)調(diào)使用這種方式。當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率大到一定時(shí)(W>R屏蔽／L屏蔽)，為了減少感受磁場(chǎng)感應(yīng)的閉合面積，可以采用屏蔽兩端接地的方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾來(lái)源是多渠道的，針對(duì)不同的項(xiàng)目和不同的現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)該有不同的處理方法。數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對(duì)某些干擾情況還需做具體分析具體對(duì)待，只有正確和合理的使用屏蔽和接地技術(shù)，才能夠使其可靠的運(yùn)行。  

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本文標(biāo)題：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用的抗干擾技術(shù)

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