電氣隔離技術(shù)在企業(yè)數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

龐智 王海軍

【摘 要】數(shù)控機床廣泛應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域，通過對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)工作原理以及數(shù)控機床常見干擾的分析，探討了相關(guān)的電氣隔離技術(shù)，提出了數(shù)控機床抑制干擾而采取的電氣隔離的技術(shù)措施。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機床；電氣控制；電氣隔離；抗干擾

數(shù)控機床是集計算機控制系統(tǒng)、電氣控制和數(shù)控控制系統(tǒng)于一身的機電一體化設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域。電氣控制部分多數(shù)處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。很容易被周圍干擾源干擾而引起控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作。為了讓控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在系統(tǒng)設(shè)計與安裝時應(yīng)采取一定的抗干擾措施電氣隔離技術(shù)就是較好的抗干擾技術(shù)之一，能從電路上把干擾信號和被干擾的部分隔離開來，達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。通過電路把傳遞干擾的路徑切斷，以抑制干擾信號。通過采用電氣隔離技術(shù)，大多數(shù)電路都能夠很好地抑制噪聲干擾，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。

通過對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)工作原理以及對數(shù)控機床常見干擾的分析，為了降低數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)被干擾程度，提高數(shù)控機床控制系統(tǒng)的可靠性，必須優(yōu)先考慮硬件電氣隔離措施，例如各種控制信號的隔離，電源系統(tǒng)的隔離等。電氣隔離就是切斷干擾通道，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，不直接發(fā)生電的聯(lián)系。脈沖變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離和布線隔離等是工控裝置與現(xiàn)場信號之間常用的隔離技術(shù)。

1.光電耦合隔離技術(shù)

光電隔離電路是以光為媒體傳送信號，對輸入和輸出電路進行隔離。因而能有效地抑制干擾信號，消除接地回路的干擾，并且響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、耐沖擊等特點，常用在強-弱電接口電路中，計算機控制系統(tǒng)的前向和后向通道中也經(jīng)常采用。

光電隔離是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，輸入和輸出在電氣是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗（100Ω～1kΩ）與一般干擾源的阻抗（105～106Ω）相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很小（約幾個pF），所以能阻止電路耦合產(chǎn)生的電磁干擾，被控設(shè)備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。

光電耦合器把輸入信號與內(nèi)部電路隔離開來，或者是把內(nèi)部輸出信號與外部電路隔離開來。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號進行直接耦合，而是以光為媒介進行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。

在數(shù)控機床PLC控制系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測和被控設(shè)備之間不可避免地受到干擾，導致傳輸信號發(fā)生畸變或失真；另外，在通過較遠的設(shè)備之間傳輸信號的電纜，常因設(shè)備間的地線電位差，導致地環(huán)路電流，形成差模干擾電壓。為增強傳輸?shù)目煽啃?，可采用光電耦合技術(shù)進行隔離，將兩個電路的電氣連接隔開，使他們相互獨立，切斷可能形成的環(huán)路，提高電路的抗干擾性能。若傳輸線較長，現(xiàn)場干擾嚴重，可通過兩級光電耦合器將長線完全“浮置”起來。

2.脈沖變壓器隔離技術(shù)

脈沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁心的兩側(cè)，這種工藝使得它的分布電容很小，僅為幾個pF，所以可作為脈沖信號的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號時，不傳遞直流分量，PLC使用的數(shù)字量信號輸入/輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量，因而在數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.繼電器隔離技術(shù)

繼電器的線圈和觸點沒有電氣上的聯(lián)系，因此，可利用繼電器的線圈接收信號，利用觸點發(fā)送和輸出控制信號，從而避免強電和弱電信號之間的直接接觸，實現(xiàn)了抗干擾隔離。在該電路中，通過繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開來，使高壓交流側(cè)的干擾無法進入低壓直流側(cè)。

4.配線系統(tǒng)隔離

將微弱信號電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，最基本的要求是信號線路必須和強電控制線路、電源線路分開走線，而且相互間要保持一定的距離。配線時應(yīng)區(qū)別分開交流線、直流穩(wěn)壓電源線、數(shù)字信號線、模擬信號線、感性負載驅(qū)動線等。配線間隔越大，配線越短，則噪聲影響越小。但是，實際設(shè)備的內(nèi)外空間是有限的，配線間隔不可能太大，只要能維持最低限度的間隔距離便可。如果受環(huán)境條件的限制，信號線不能與高壓線和動力線等離得足夠遠時，就得采用諸如信號線路接電容器等各種抑制電磁感應(yīng)噪聲的措施。

5.供電系統(tǒng)的電氣隔離

大多數(shù)強干擾是通過供電系統(tǒng)進入數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的，為此要對電源進行濾波、隔離和穩(wěn)壓處理。在使用380V電網(wǎng)電壓的條件下，可在輸入端加電源濾波器；若采用線性穩(wěn)壓器，除了通過電源變壓器的隔離外，通常還要在三端穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)上增加由磁環(huán)和高頻電容組成的π型濾波；必要時也可在控制系統(tǒng)的電源引腳加瞬態(tài)電壓抑制器，以減小電源噪聲的干擾。

電源變壓器是數(shù)控機床供電系統(tǒng)的主要元件，為了抑制電網(wǎng)中的干擾，一般選用隔離變壓器，且變壓器容量應(yīng)比實際需要要大1.2～1.5 倍左右。在使用中應(yīng)要求變壓器的屏蔽層良好接地，次級線圈連接線要使用雙絞線，以減少電源線間干擾。對于數(shù)控機床的PLC的控制器電源，如果條件許可，還可在隔離變壓器前加入濾波器，此時變壓器的初級和次級連接線均需使用雙絞線。

6.交流電源隔離技術(shù)應(yīng)用

由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波、高頻干擾等，所以對由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備，都應(yīng)采取抑制措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，即使一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè)，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線之間）的存在，交流電網(wǎng)中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側(cè)。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設(shè)備的抗干擾性。

7.結(jié)束語

在開發(fā)數(shù)控模切燙金機、數(shù)控車（銑）床以及其它數(shù)控產(chǎn)品時，在電氣控制方面均根據(jù)不同電氣控制部分采用了相應(yīng)的電氣隔離措施。通過驗證，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制干擾的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。同時在產(chǎn)品的研制實踐中，還要對電子電氣設(shè)備的內(nèi)部干擾及外部干擾進行全面的分析，結(jié)合“接地問題”，“屏蔽問題”，選擇合理的隔離方式及其恰當?shù)母綦x部位，進行統(tǒng)一配置，才能設(shè)計出滿足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品。當然，除了采用硬件抗干擾措施外，還可結(jié)合軟件抗干擾技術(shù)，如指令冗余法、軟件陷阱法等，進一步提高數(shù)控系統(tǒng)電氣控制的抗干擾性能。

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