数控系统的电磁兼容性——屏蔽技术研究.pdf

精密制造与自动化 2016年第2期 14 数控系统的电磁兼容性屏蔽技术研究 郑伶俐 高天友（1.常州机电职业技术学院 江苏常州 213164；2.常州轻工职业技术学院 江苏常州 213164）摘 要 为了保证数控系统满足机床数控系统通用技术条件中的电磁兼容性要求，通过对电磁兼容性的屏蔽技术的原理分析，分别从电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽对数控系统的电磁兼容提出机理分析，并提出了各自的设计要求，保证了数控系统的正常工作，以此达到数控系统设计时对电磁噪声的抗干扰要求。关键词 电磁兼容 屏蔽技术 噪声 传输 电磁兼容性（EMC）是指电气设备产生的电磁骚扰不应超过其预期使用场合允许的水平，以保证电气设备在预期使用环境中可以正确运行。电磁兼容的主要内容是围绕造成干扰的三要素进行的，即电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。为了保证数控系统在电磁环境较恶劣的工业现场能够正常工作，系统必须达到 JB/T 88322001“机床数控系统通用技术条件”中的电磁兼容性要求。1 1 机床数控系统抗干扰措施机床数控系统抗干扰措施 机床数控系统组成如图 1 所示1，系统中既包含大电流、高电压的强电设备，又包含小电流、低电压的控制与信号处理设备和传感器，即弱电设备。强电设备产生的强烈电磁骚扰对弱电设备的正常工作构成极大的威胁。此外，系统所在的生产现场的电磁环境较恶劣，系统外各种动力负载的干扰、供电系统的干扰、大气中的干扰等都会对系统内的弱电设备产生严重影响，由于弱电设备是控制强电设备的，所以，一旦弱电设备受到干扰，最终将导致整个系统的瘫痪。抑制骚扰的发射，切断骚扰的传输途径，提高敏感设备的抗干扰能力是系统达到电磁兼容的主要手段，最常采用的是屏蔽、滤波、接地三大技术2。图图 1 机床数控系统组成机床数控系统组成 2 2 屏蔽技术屏蔽技术 屏蔽技术是在普通非屏蔽布线系统的外面加上金属屏蔽层,利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能,屏蔽技术综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用,因而具有非常好的电磁兼容(EMC)特性3。为防止噪声源向外辐射场，则应该屏蔽噪声源，这种方法称为主动屏蔽。为防止敏感设备受噪声辐射场的干扰，则应该屏蔽敏感设备，这种方法称为被动屏蔽。屏蔽按其机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。2.1 2.1 电场屏蔽电场屏蔽 当噪声源是高电压、小电流时，其辐射场主要表现为电场，电场屏蔽是抑制噪声源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生的干扰。1)电场屏蔽的机理 电场感应可看成是分布电容间的耦合，如图 2所示，干扰源 A 和受感应物 B 的电位分别为UA和UB，那么UA和UB间的关系为UB=C1 UA/C1+C2。式中，C1为 A、B 之间的分布电容；C2为受感应物对地电容。图图 2 电场感应示意图电场感应示意图 郑伶俐 等 数控系统的电磁兼容性屏蔽技术研究 15 通过上式可以看出，为了减弱受感应物 B 上的电场感应，可能采用的方法：（1）增大 A、B 的距离，以减小 A、B 间的分布电容；（2）尽可能使感应物 B 贴近接地板，以增大其对地电容；（3）可以在 A、B 之间插入一块屏蔽金属薄板，如图 3 所示。此时UB=C1,UA/C1+C2，其中C1 C1，故UB UB，起到屏蔽作用。还需要注意的是良好的接地是金属板产生电场屏蔽的先决条件，如不接地或接地不良，则可能产生没有金属板时更严重的干扰。图图 3 金属板对电场屏蔽作用的分析金属板对电场屏蔽作用的分析 2）电场屏蔽设计要点 （1）系统中的强电设备（伺服驱动器、变频器、步进驱动器、开关电源、电机）金属外壳可靠接地，实现主动屏蔽；（2）敏感设备（如数控装置等）外壳可靠接地，实现被动屏蔽；（3）强电设备与敏感设备之间距离尽可能远，一般在电柜内，强、弱电设备尽量保持 30cm 以上的距离，最小距离为 10cm4；（4）高电压、大电流动力线与信号线应分开走线，例如各自使用各自独立的线槽等，距离尽可能保持在30 cm 以上，最小距离为 57.5 cm，同时尽量避免平行走线，不能将强电线与信号线捆扎在一起；（5）信号线应尽量靠近地线（或接地平板）或者用地线包围它5；（6）强电线如不能与信号线分开走线，则强电线应采用屏蔽线，屏蔽层应可靠接地。2 2.2.2 磁场屏蔽磁场屏蔽 当噪声源具有低电压和大电流性能时，其辐射场主要表现为磁场，磁场屏蔽是抑制噪声源和敏感设备之间由于磁场耦合所产生的干扰。1）磁场屏蔽的机理 磁场屏蔽主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻对磁通起到分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱，如图 4 所示。图图 4 磁场的被动屏蔽磁场的被动屏蔽 2）磁场屏蔽的设计要点（1）选用高导磁率的材料，如玻莫合金等，并适当增加屏蔽体的壁厚；（2）被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的