數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾措施

鄒東昀

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

關(guān)鍵詞：電磁干擾；抗干擾；設(shè)計優(yōu)化

數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計要求系統(tǒng)動作準(zhǔn)確無誤，每個控制動作都要達到它想要的目的。造成數(shù)控系統(tǒng)工作不正常的原因除了系統(tǒng)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(chǎn)生的電磁能量干擾，其中一部分是專門用來發(fā)射電磁能量的裝置，如廣播、電視、通信、雷達和導(dǎo)航等無線電設(shè)備，稱為有意發(fā)射干擾源。另一部分是在完成自身功能的同時附帶產(chǎn)生電磁能量的發(fā)射，如電火花線切割機床，電動機械、家用電器以及工業(yè)、醫(yī)用射頻設(shè)備等等。因此這部分又成為無意發(fā)射干擾源。

1.本文只針對人為干擾源中的無意發(fā)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(shù)消除電磁干擾

要確保數(shù)控系統(tǒng)中的所有設(shè)備接地良好，需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)工作電流按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該盡可能的短以保證接地電阻值符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其要注意包括變頻器、開關(guān)電源，電機驅(qū)動器等工作時有高頻開關(guān)脈沖以及變壓器、供電設(shè)備等產(chǎn)生工頻干擾的設(shè)備的可靠接地。

1.2.使用濾波電路降低干擾

數(shù)控系統(tǒng)電源增加濾波線路措施可以有：數(shù)控系統(tǒng)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(shè)備投入工作時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的尖峰電壓，確保電源不受電網(wǎng)供電電壓波動影響；數(shù)控系統(tǒng)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(chǎn)生的毛刺脈沖，穩(wěn)定的直流輸出電壓可以確保數(shù)控系統(tǒng)電路的工作可靠。

1.3.優(yōu)化印制板布局設(shè)計

優(yōu)化印制板布局設(shè)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(shè)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(qū)域；

1.3.3.模擬電路和數(shù)字電路應(yīng)盡可能分區(qū)域放置；

1.3.4.電源濾波電容應(yīng)靠近用電器件。

1.3.5.地線的設(shè)計應(yīng)做到小電流向大電流會聚，如果構(gòu)成了回路，應(yīng)盡可能縮小回路面積；

1.4.優(yōu)化弱電信號線路設(shè)計

在數(shù)控系統(tǒng)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(chǎn)生的高頻脈沖干擾）影響，造成數(shù)控系統(tǒng)誤動作或者不動作。針對這些干擾在電路設(shè)計上采取一些補救措施就成為設(shè)計中必須考慮的問題。

1.5.利用屏蔽技術(shù)減少電磁干擾

如果數(shù)控系統(tǒng)抗干擾措施不力會出現(xiàn)下列現(xiàn)象：看到液晶顯示屏幕上出現(xiàn)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(xiàn)一些誤報信息；鍵盤或者觸摸屏按下沒有反應(yīng)；主控計算機死機或者自動重新啟動等等。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：數(shù)控系統(tǒng)附近存在一個強電磁場，強電磁場的輻射使得在數(shù)控系統(tǒng)工作環(huán)境充滿電磁干擾噪聲，數(shù)控系統(tǒng)的控制電路在這樣的環(huán)境里會耦合電磁波，干擾系統(tǒng)的正常工作；數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)線也暴露在這個電磁場里，感應(yīng)電磁干擾噪聲，感應(yīng)噪聲經(jīng)過導(dǎo)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(fā)錯誤信號，造成系統(tǒng)出錯，甚至系統(tǒng)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(shù)減少電磁干擾。

1.6.數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部連線的處理

數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)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(huán)

傳輸電纜上套磁環(huán)有兩種方式：一種是選一磁環(huán)內(nèi)徑略大于電纜外徑的磁環(huán)，將磁環(huán)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(huán)內(nèi)徑足夠大的磁環(huán)，將電纜做8字繞法，穿過磁環(huán)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(huán)材料的性能有所差異，因此根據(jù)需要磁環(huán)工作頻率選擇不同的材料。普通磁環(huán)材料有鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體，它們的差異主要在磁導(dǎo)率：錳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率在幾千到上萬，鎳鋅鐵氧體在幾百到上千。鐵氧體的磁導(dǎo)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?；蛟谕皇娎|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(jīng)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(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)出的輸出信號如果是維持一種狀態(tài)的信號可以隔一段時間就重復(fù)發(fā)一次信號，確保狀態(tài)信號不會因為受干擾而改變；如果發(fā)出輸出信號僅僅是實現(xiàn)一個動作，那么為保證實現(xiàn)這個動作可以連續(xù)發(fā)幾個相同信號來避免輸出信號被干擾信號掩蓋；控制系統(tǒng)對輸入信號的處理可以連續(xù)讀輸入端口的數(shù)據(jù)幾次確保讀入的數(shù)據(jù)正確。

2.結(jié)束語

在工業(yè)高度發(fā)展的今天，各種電氣設(shè)備的使用已是普遍現(xiàn)象，其中不少設(shè)備會產(chǎn)生強烈的電磁干擾，造成數(shù)控系統(tǒng)不受干擾幾乎是不可能的，因此如何設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)來保證數(shù)控功能可靠穩(wěn)定的實現(xiàn)需要認真考慮?？垢蓴_措施多種多樣，前文提到的那些措施也不是很完全，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)不同數(shù)控系統(tǒng)具體的工作方式、工作環(huán)境采用適合的抗干擾措施。

參考文獻：

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[3] 王宏穎. 《抗干擾在數(shù)控系統(tǒng)中的設(shè)計》[J].機床電器