數(shù)控機床EMC控制

1、來源于 ：注塑財富網(wǎng) 數(shù)控機床EMC控制目前的高檔數(shù)控機床設(shè)備功能強大、控制信號數(shù)量龐雜，加工過程中控制信號的準確性成為決定整個設(shè)備加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，而電磁干擾（包括工頻電磁場和 諧波的干擾）對數(shù)控設(shè)備控制信號的影響顯得尤為突出，從而使EMC(Electromagnetic Compatible) 電磁兼容問題在如今高檔數(shù)控機床的電氣設(shè)計和安裝過程中變得愈加重要。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)主要由PLC、數(shù)控系統(tǒng)、變頻器及儀表等組成，如果在系統(tǒng)設(shè)計和 安裝時，沒有充分考慮EMC電磁兼容問題，控制信號的干擾、失真或混亂現(xiàn)象會導致機床控制過程中精度降低、采集數(shù)據(jù)不準確甚至機床誤動作，嚴重影響到數(shù)控 設(shè)備的

2、加工精度、生產(chǎn)效率和操作安全性。這些干擾將造成設(shè)備不能夠穩(wěn)定運行，甚至造成設(shè)備的損壞。因此，在設(shè)備的設(shè)計制造和用戶使用過程中，EMC已成為 電氣系統(tǒng)設(shè)計時必須重視的問題。規(guī)范數(shù)控設(shè)備電氣控制中EMC控制體系的設(shè)計，堅持EMC電磁兼容性設(shè)計，提高貫徹EMC 標準的意識性，把它變成一個可控的設(shè)計技術(shù)，這樣不僅降低了設(shè)備運行的生產(chǎn)成本，還大大提高了數(shù)控設(shè)備的整體控制精度和加工制造質(zhì)量。EMC技術(shù)不僅可以 廣泛地應用于數(shù)控設(shè)備的設(shè)計制造過程中，對其他電子控制領(lǐng)域也有借鑒作用。數(shù)控機床的EMC電磁兼容1 電磁干擾信號的耦合 數(shù)控設(shè)備控制柜內(nèi)部有大量的電磁干擾信號的耦合，耦合是干擾系統(tǒng)工作的原因之一。按其

3、耦合方式可分為電路性(直接傳導、共阻抗)耦合、電容性( 電路間電場) 耦合和電感性(電路間磁場) 耦合。通過電磁輻射途徑產(chǎn)生的干擾稱為輻射耦合，干擾能量以電磁波形式通過媒質(zhì)傳輸?shù)矫舾性O(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。輻射耦合大多通過天線(常規(guī)天線和信號線、控 制線、輸入輸出引線等等效天線)、電纜線(信號線、供電線、地線)、機殼等接收或感應進入敏感設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。這種耦合可以分為同一電路間的耦合、板間耦合、信號間的耦合、電源線與系統(tǒng)的耦合。從性質(zhì)上看，這種耦合是電場耦合或磁場耦合。當信號電路與電源線并行時，會引入某種電流，有可能導致一個繼電器或者交流接觸器觸點吸合誤動作，引起控制混亂。由此必須進行干擾抑制。

4、當兩個或多個相互獨立的電路公用電源線、返回線，或者兩者都公用，一個電路在電源線中產(chǎn)生的壓降有可能影響另外一個電路。補救措施為，可以在電源線和返 回線上使用隔離電路，電源線使用雙絞線來減小耦合，如果多條電源線公用一根公共返回線，返回線應該包在電源線周圍。尖峰電壓U1（例如開關(guān)一個電容器時） 發(fā)生在一根線上時導致一個電流i2出現(xiàn)在另外一根線上（圖1）。 由于i2是直接疊加在正常信號上的，在這種情況下，使用電壓接口代替電流接口會好一些。當信號電路與電源線并行時，會引入50Hz的電流。這有可能導致一個繼電器或者交流接觸器一直吸合。如圖2所示，當存在并行布線的結(jié)構(gòu)（例如PEN或者PE電纜回路），此時PE

5、N電纜回路就形成了變壓器的次級繞組，初級線圈中的電流變化，使次級線圈中產(chǎn)生電壓，由于多次接地形成了電流回路，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)電流。為了避免這一影響，應該使用屏蔽電纜。 2 非線性負載的影響非線性負載會在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生非正弦的電流，電流通過電源系統(tǒng)的阻抗使電壓失真。脈沖控制系統(tǒng)中的脈沖信號通常也會導致短暫的電壓失真。當負載容量被額外的諧波電流占據(jù)一部分時，會導致過熱，脈沖控制系統(tǒng)中的信號會受到影響。當把多個不同的諧波分量疊加在一起時，諧波電壓會減小。傅立葉分析表明，由于非線性負載，諧波會產(chǎn)生不同的相位偏移，結(jié)果會使諧波消失或減小。低次諧波分量有線性增加的趨勢，而高次諧波分量則以平方趨勢增長，EMC會

6、越來越嚴重。 受到EMC影響的電源系統(tǒng)會在電機上產(chǎn)生額外的磁場，從而造成損耗、過熱、降低壽命、顫動、交流噪聲、效率降低等現(xiàn)象，會造成接地漏電流檢測系統(tǒng)和隔離 傳感器的故障并且無法使用。電纜上會有更高的電流負載（尤其是PEN線），接線端子會過熱，雙端接地的屏蔽層會過載，通過電纜中的耦合電阻會有長線壓降， 導致信號錯誤。3 天線效應任一載流導體周圍都產(chǎn)生感應電磁場并向外輻射一定強度的電磁波，相當于一段發(fā)射天線，處于電磁場中的任一導體則相當一段接收天線，會感生一定電勢，導體的這種天線效應是導致電子、電氣設(shè)備相互產(chǎn)生電磁輻射干擾的根本原因1。經(jīng)計算離開關(guān)設(shè)備的抗干擾距離需大于15cm，一般距離大于20

7、cm。當同時給多臺電動機上電時，由于較大的啟動電流，會產(chǎn)生很強的磁場。 一個桿式天線, 通常是在底端帶有阻抗的線性物體。電控柜內(nèi)的導體就像桿式天線在電控柜內(nèi)不希望有天線效應，所有柜內(nèi)的導體要盡可能地短。導體與地平行比有夾角要好。所有 金屬部分都應可靠連接以避免天線效應，組件間要有較大的接觸面積，而不要僅在拐角處連接，這樣可以避免槽式天線效應。4 伺服控制系統(tǒng)的干擾抑制以及本身的控制抗干擾由于數(shù)控機床中使用的是數(shù)控及伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制，機床的控制精度很高，所以機床電磁環(huán)境中變頻器及伺服驅(qū)動系統(tǒng)的抗干擾以及它對其他器件的干擾是不容忽視的。在設(shè)備應用現(xiàn)場，經(jīng)常出現(xiàn)由于機床大功率切削時的干擾引起機床信號

8、如主軸監(jiān)控信號振動（動平衡）信號的突變，從而導致機床的誤報警，甚至會出現(xiàn)在其他機床切削時而導致另一機床主軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。脈沖或脈沖串是由不同頻率的正弦信號疊加而成的。來自變頻器的干擾fmax<20MHz, 而變頻器的工作狀態(tài)為一直開啟，所以現(xiàn)場的主要干擾來自變頻器。5 電柜進線與開孔 由于趨膚效應，高頻電流從屏蔽層的內(nèi)側(cè)返回，供電線應將電壓加在最小的面積上，使電路面積最小化，減小輻射干擾。因此電纜需使用導電性好的金屬網(wǎng)面的屏 蔽電纜，這樣面積加大，電流流通順暢。高頻電流主要從供電線下方返回，從而在供電線和返回線之間形成一個小的電流回路。所有電纜入口都應安排在電控柜的一 側(cè)，以避免干擾電流流

9、經(jīng)電控柜，造成其磁場干擾內(nèi)部電纜。任何時候磁場隨時間改變，就會在垂直磁場的方向上產(chǎn)生電位差，如果電位 差遇到導電平面或者導體，就會產(chǎn)生漩渦電流。如圖3所示，按照倫茲定律，漩渦電流會產(chǎn)生一個磁場，并且會因此而削弱原有的磁場，這種情況對于屏蔽十分有 利。但開孔會改變電流方向，漩渦電流會繞開開孔，磁場的形成方向會發(fā)生錯誤，從而無法削弱原磁場。 根據(jù)電控柜或者外殼來確定限制頻率fg, 定義最大開孔直徑Dmax<15/fg，定義管長度L=5Dmax，如果開孔直徑D不得不大于Dmax，則將開孔分成若干個小孔（蜂窩狀分布），消磁區(qū)得以正確的產(chǎn)生?？垢蓴_措施1 有效隔離、良好接地由于雷電、工業(yè)現(xiàn)場其他機

10、床的大功率馬達啟動、繼電器動作、線路故障、靜電等因素引發(fā)電涌，可能導致系統(tǒng)功能故障、損毀等風險，為減小這些干擾傳導侵入，機床的電氣需要采取良好的隔離和接地措施。 在機床總體電柜前添加隔離變壓器以及避雷器（浪涌保護器）, 可有效抑制干擾?；芈凡季€時，應考慮隔離，減少互感耦合，避免干擾由互感耦合侵入。強、弱信號電纜之間進行隔離，強、弱信號不應使用同一根電纜；信號電纜 應盡可能避開動力電纜；盡量增大與動力電纜的距離，并盡量減少其相互平行長度；確保電氣柜中的所有設(shè)備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點或接 地母排上。特別重要的是，連接到變頻器的控制設(shè)備(如PLC) 要與其共地，同樣也要使用短和

11、粗的導線接地。最好采用扁平導體(例如金屬網(wǎng)), 因其在高頻時阻抗較低。2 良好的屏蔽為有效地抑制電磁波的輻射和傳導，最好使用屏蔽電纜來進行信號和 動力傳輸。由變頻器控制的電機電源電纜必須采用屏蔽電纜，屏蔽層的電導必須至少為每相導線芯的電導的1/10。同時控制電纜最好使用屏蔽電纜。一般來說， 控制電纜的屏蔽層應直接在變頻器的內(nèi)部接地，另一側(cè)通過一個高頻小電容(例如3.3nF/3000V) 接地，也可以將屏蔽層的兩端直接接地。信號線和它的返回線絞合在一起，能減小感性耦合引起的干擾。絞合越靠近端子越好。模擬信號的傳輸線應使用雙屏蔽的雙 絞線。不同的模擬信號線應該獨立走線，有各自的屏蔽層，以減少線間的

12、耦合。不要把不同的模擬信號置于同一個公共返回線。低壓數(shù)字信號線最好使用雙屏蔽的雙 絞線，也可以使用單屏蔽的雙絞線。在機床布線過程中將信號電纜與動力電纜分開布局，這樣可有效保證控制信號的準確度。當控制電纜和動力電纜不可避免交叉 時，應盡可能使之按90°角交叉。同時必須將電機電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。為防止靜電放電問題，可以通過增加屏蔽 接地面積的方法，電纜盡可能接近金屬外殼或者金屬表面，盡量縮短電纜長度，在沒有必要的情況下，不要使用長電纜。在條件允許的情況下可以將 EMI（Electro MagneticInterference，電磁干擾）油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。EMI油漆是

13、導電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以將靜電導在殼體 上，再將殼體與地線連接，將靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的干擾。3 合理利用濾波器與電抗器 通斷開關(guān)會產(chǎn)生一個4kV的瞬時高壓，其頻率可達200MHz。由于存在大量的通斷開關(guān)，干擾信號大多數(shù)被線圈所抑制。瞬時高壓由關(guān)斷的線圈產(chǎn)生（如： 接觸器、繼電器、電磁閥等），抑制干擾的電路無論加在干擾源側(cè)還是在被保護元件側(cè)，都要遵守電短原則，即電纜長度或機械尺寸小于波長的1/10。另外，添 加RC元件或二極管等效于增加關(guān)斷時間，增加關(guān)斷時間的同時也會加劇大功率觸點的損傷；折中的辦法是用壓敏電阻。開關(guān)頻率的基頻 和

14、諧波在1MHz以下差模為主，1MHz以上共模為主。用濾波器可以降低共模和差模干擾電壓。通過試驗，濾波器外殼聯(lián)到金屬板時，20MHz衰減 85dB；沒有聯(lián)到金屬板時，衰減只有30dB。而當頻率大于1MHz后，用導線連接濾波器外殼沒有任何抑制作用2。對于變 頻器需要使用進線電抗器。進線電抗器用于降低由變頻器產(chǎn)生的諧波，同時也可用于增加電源阻抗，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電壓 尖峰。進線電抗器串接在電源和變頻器功率輸入端之間。對于數(shù)控及驅(qū)動系統(tǒng)還應使用RFI濾波器，則RFI濾波器應串接在進線電抗器和變頻器之間。特別是， 當對主電源網(wǎng)絡(luò)不熟悉的情況下，最好使用進線電抗器。4 確保電氣柜中的接觸器有滅弧