《数控原理与系统》第8章 数控系统的电磁兼容设计ppt课件.ppt

第8章 数控系统的电磁兼容设计,8.1 电磁兼容概述8.2 数控系统电磁兼容性要求与抗电磁干扰措施8.3 数控系统接地技术8.4 屏蔽技术8.5 滤波技术8.6 电磁兼容设计实例,8.1 电磁兼容概述,8.1.1 电磁兼容的定义 电磁兼容EMC（Electromagnetic Compatibility），是指设备或系统在其电磁环境中能够正常工作，而且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。因此，EMC包括两方面的内容：一是指设备或系统在电磁环境中应该能够承受一定的电磁骚扰，即具有一定程度的抗扰度；二是指设备或系统在运行过程中不应该产生严重的电磁骚扰。,电磁骚扰EMD（Electromagnetic Disturbance）的含义较为广泛，它指任何可能引起设备或系统性能降低，或对有生命、无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。 与电磁骚扰相近的是电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference），电磁干扰是指任何能使设备、转输通道或系统性能下降的电磁现象。也就是说，电磁骚扰针对有生命、无生命的一切物质，而电磁干扰则仅考虑无生命的设备或系统。,8.1.2 电磁兼容的三要素 电磁兼容必须在特定空间、特定对象、特定媒体三个基本要素的前提下进行讨论。（1）特定空间。电磁兼容通常需要指明某个特定的空间，如同一个机柜、同一个房间、同一座城市、同一宇宙等。（2）特定对象。电磁兼容必须同时存在骚扰体和感受体。（3）特定媒体。电磁骚扰通过一定的媒体或耦合途径将发射体和感受体联系在一起，这个媒体可以是空间，也可以是公共电网或公共接地。,8.1.3 电磁骚扰的产生与传播 电磁骚扰的产生必须具备三个因素，即电磁骚扰源、传播途径、受骚扰系统（敏感设备或敏感体）。这三个因素中，只要消除一个因素，就不会发生电磁骚扰。因此，要想做到电磁兼容，只要设法减弱发射源信号电平，切断传播途径，或者提高受扰系统的抗扰能力。,1电磁骚扰源电磁骚扰源大致可分为自然骚扰源和人为骚扰源。（1）自然骚扰源主要由闪电、太阳辐射和宇宙射电产生的。其中闪电的频率在10MHz以下，太阳辐射和宇宙射电的频率一般在10MHz以上。（2）人为骚扰源的种类较多，主要包括静电放电、核电磁脉冲、无线电、高频加工设备、数字电路、高压输电线及绝缘端子表面放电、电网开关操作过程、电压波动及家用电器等。,2电磁骚扰传播途径（1）辐射途径。骚扰源如果不是被封闭在一个金属壳内，它就可以通过空间向外辐射电磁波，其辐射强度取决于装置的骚扰电流强度、装置的等效辐射阻抗以及骚扰源的发射频率。如果骚扰源的金属外壳带有缝隙或孔洞，则辐射的强度还与骚扰的波长有关。当孔洞的大小与波长可以比拟时，还可形成骚扰子辐射源向四周辐射。另外，辐射场中的金属体也会形成二次辐射。,（2）传导途径。骚扰源可以通过与其连接的导线向外部传导，也可通过公共阻抗或接地回路的耦合将骚扰传给其他电路。传导是骚扰传播的重要途径。（3）耦合途径。当骚扰源的频率较低时，骚扰电磁波的辐射能力有限，此时，如果骚扰源又不直接与其他导体连接，则电磁骚扰能量还可以通过与其相邻的导体产生感应耦合，在邻近导体内感应出骚扰电流或电压。感应耦合可能是导体间的电容耦合，也可能是电感耦合，或者是电容、电感混合耦合。,8.1.4 电磁兼容性EMC试验 为了验证电气设备的抗电磁干扰能力，通常在设备投入使用之前，应进行EMC试验与验证，以保证电气设备在实际使用中的可靠性。 被试设备在某个登记条件下进行试验时，可能出现以下几种。（1）在技术范围内，性能正常。（2）功能或性能暂时降低或丧失，但可自行恢复。（3）功能或性能暂时降低或丧失，要操作人员干预或系统复位才能恢复正常。（4）由于设备损坏，造成不可恢复的功能降低或丧失。,在进行试验等级判定时，国际电工委员会（IEC）认为：如果设备满足1的情况，则判定为通过该等级试验；如果出现4的情况，则判定为不通过该等级试验；如果出现2、3两种情况，则需要用户与制造商协商进行判定。 根据数控机床可靠性要求和连续不间断工作的实际情况，可以认为如果出现2、3的情况，则也判定为不通过该等级试验。 有关试验项目和试验等级可参阅有关资料。,8.2 数控系统电磁兼容性要求与抗电磁干扰措施,8.2.1 数控系统电磁兼容性要求 数控系统一般在电磁环境较恶劣的工业现场使用，为了保证系统在此环境中能够正常工作，系统必须达到JB/T 8832-2001“机床数控系统通用技术条件”中的电磁兼容性要求。,1电压暂降和短时中断抗扰度 数控系统运行时，在交流输入电源任意时间电压幅值降为额定值的70%，持续时间500ms，相继降落间隔时间为10s；在交流输入电源任意时间电压短时中断3ms，相继中断间隔时间为10s。电压暂降和短时中断各进行3次，数控系统应能正常工作。2浪涌（冲击）抗扰度 数控系统运行时，分别在交流输入电源相线之间叠加峰值为1kV的浪涌（冲击）电压，在交流输入电源相线与保护接地端（PE）间叠加峰值为2kV浪涌（冲击）电压。浪涌（冲击）重复率为1次/分，极性为正/负极。试验时正/负各进行5次，数控系统应能正常工作。,3电快速瞬变脉冲群抗扰度（1）数控系统运行时，分别在交流供电电源端和保护地端（PE）之间，加入峰值2kV、重复频率5kHz脉冲群，时间1min。试验时，数控系统能正常工作。（2）数控系统运行时，在I/O信号、数据和控制端口电缆上用耦合夹加入峰值1kV，重复频率5kHz脉冲群，时间1min。试验时，数控系统能正常工作。4静电放电抗扰度 数控系统运行时，对操作人员经常触及的所有部位和保护地端（PE）之间进行静电放电试验，接触放电电压6kV，空气放电电压8kV。试验时，数控系统能正常运行。,8.2.2 数控系统抗电磁干扰措施 数控系统中既包含有高电压、大电流的强电设备，又包含低电压、小电流的弱电设备。强电设备运行时会产生较强的电磁骚扰，对弱点设备的正常工作构成了很大的威胁。此外，数控系统所处的生产现场也是较恶劣的电磁环境，来自系统外的各种电磁骚扰也会对系统弱电设备构成严重的影响。由于弱电设备是控制强电设备的，因此一旦弱电设备受到干扰，最终将导致整个系统的瘫痪。,在产生电磁骚扰的骚扰源、传播途径、受骚扰系统这三个因素中，只要消除一个因素，就不会发生电磁骚扰。数控系统通常采用接地、屏蔽、滤波三大措施来提高系统的抗电磁干扰能力。其中通过合理接地，可有效抑制强电设备运行时干扰源的发射电平；通过屏蔽，可切断干扰的传波途径；采用滤波技术，提高敏感设备的抗干扰能力。,接地的含义就是提供一个等电位点，为了防止共地线阻抗干扰，在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分为3类，即保护地线（安全接地）、工作地线（工作接地）、屏蔽地线（屏蔽接地）。8.3.1安全接地 为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，设备的机壳、底盘所接地线称保护地线，应与真正大地连接。保护地线的基本要求参见国家标准“GB5226.1-2002”中有关部分内容。,8.3 数控系统接地技术,1安全接地形式 机床数控系统电源可采用图8.1所示的 “TT”接地形式，或者采用图8.2所示的“TN-S”接地形式，不允许采用图8.3所示的“TN-C”接地形式。 此外，在设计数控机床的电气系统时，电气控制柜中最好不要引入中线，如果使用中线，必须在安装图、电路图及接线端子上明确标注N标志；如果电柜中引入了中线，电气控制柜内部不允许中线与地线连接，也不允许共用一个端子PEN（PE与N短接的端子称PEN端子）。,图8.1 TT接地形式,图8.2 TN-S接地形式,图8.3 TN-C接地形式,2接地极的制作方法 过去曾有人习惯把地下的金属管道作为接地极，特别是自来水管，由于它们和土壤之间有大面积的接触，这种方法的接地电阻一般小于4。但要指出的是，用水管做接地极的不安全性。例如，在对建筑物进行维修或对水管系统进行改装时，接入管道的故障电流或杂散电流就有可能对工作人员造成伤害。此外，还要注意水管金属间的连续性，任何非导体的连接都可能使水管的接地有效性受到妨碍。 正确的做法是借助埋入地下的金属棒、金属板来实现对大地的电气接触，这里介绍以下两种简易接地极制作方法。,（1）采用直径为12mm以上，长度为1.8m以上的铜包钢棒，选择地势低、较潮湿的地方将棒打入或埋入地下。由一根接地棒组成的单一电极，它的对地电阻往往大于20。一般采用多个金属棒并联构成接地电阻小于4的接地极，各金属棒的间距应大于其埋入长度的2倍，如图8.4所示。其中图8.4（a）为将金属棒直接打入或者埋入地下方式。图8.4(b)为挖坑后将金属棒打入或者埋入地下基本要求。,图8.4 采用金属棒制作接地极,（2）采用厚度不小于5mm，面积不小于0.5m2的金属板（铜板为佳）埋入地下，如图8.5所示。,图8.5 采用金属板制作接地极,3保护接地设计要点（1）电气设备都应设计专门的保护导线接线端子（保护接地端子），并且采用 符号标记，也可用黄绿双色标记。保护接地端子与电气设备的机壳应实现良好的搭接，设备的机壳（机箱）、底盘等应保持电气上连续，保护接地电路的连续性应符合GB5226.1-2002的要求。（2）数控系统控制柜内应安装有接地排（可采用厚度不小于3mm铜板），接地排接入大地，接地电阻应小于4。（3）系统内各电气设备的保护接地端子用尽量粗和短的黄绿双色线连接到接地排上，如图8.6所示。,图8.6 保护接地连接,（4）保护接地线不要构成环路，如图8.7所示。（5）设备金属外壳（或机箱）良好接地（大地），是抑制静电放电干扰的最主要措施。一旦发生静电放电，放电电流可以由机箱外层流入大地，不会影响内部电路。（6）设备外壳接大地，起到屏蔽作用，减少与其他设备的相互电磁干扰。,图8.7 保护接地不得构成环路,8.3.2 工作接地,1.工作接地方式为了保证设备的正常工作，如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较，形成直流电压，例如15V、5V、24V等；信号传输也常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基准电位相比较，这类地线称工作地线。在系统中一定要注意工作地线的正确接法，否则非但起不到作用反而可能产生干扰，如共地线阻抗干扰、地环路干扰、共模电流辐射等等。工作接地方式有浮地、单点接地和多点接地。,(1）浮地。如图8.8所示，工作地线与金属机箱绝缘，工作地线是浮置的，其目的是防止外来共模噪声对内部电子线路的干扰。,图8.8 浮地方式,(2）单点接地。 如图8.9所示，单点接地是指一个电路或设备中，只有一个物理点被定义为接地参考点，而其他需要接地的点都被接到这一点上。如果一个系统包含许多设备，则每个设备的“地”都是独立的，设备内部电路采用自己的单点接地，然后整个系统的各个设备的“地”都连到系统惟一指定的参考点上。设备内部电路的单点接地有串联、并联、串-并联接地3种方式。,图8.9 单点接地,单点接地比较简单，走线和电路图相似，电路布线时比较容易。其缺点是地线太长，当系统工作频率很高时，地线阻抗增加，容易产生共地线阻抗干扰；另一方面频率的升高使地线之间、地线和其他导线之间由于电容耦合、电感耦合产生的相互窜扰大大增加。 （3）多点接地。如图8.10所示，多点接地是指设备（或系统）中的各个接地都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地线的长度为最短，接地平面可以是设备的底板、专用接地线，也可以是设备的框架。,图8.10 多点接地,多点接地的优点是接线比较简单，而且在连接地线上出现高频驻波的现象也明显减少。但是多点接地系统中的多地线回路对线路的维护提出了更高的要求。因为设备本身的腐蚀、冲击振动和温度变化等因素都会使接地系统出现高阻抗，致使接地效果变差。（4）混合接地。混合接地是指对系统的各部分工作情况作一个分析，只将那些需要就近接地的点直接（或需要高频接地的点通过旁路电容）与接地平面相连，而其余各点采用单点接地的办法。,2工作接地设计要点（1）设备地线不能布置成封闭的环状，一定要留有开口，因为封闭环在外界电磁场影响下会产生感应电动势，从而产生电流，电流在地线阻抗上有电压降，容易导致共阻抗干扰。（2）采用光电耦合、隔离变压器、继电器、共模扼流圈等隔离方法，切断设备或电路间的地线环路。抑制地线环路引起的共阻抗耦合干扰。,（3）设备内的各种电路如模拟电路、数字电路、功率电路、噪声电路等都应设置各自独立的地线（分地），最后汇总到一个总的接地点。（4）低频电路（f1MHz）一般采用树杈形放射式的单点接地方式，地线的长度不应该超过地线中高频电流波长（=v/f，是地线中高频信号的波长，v是高频信号的传输速度，f是高频信号的频率）的1/20。较长的地线应尽量减小其阻抗，特别是减小电感，例如增加地线的宽度，采用矩形截面导体代替圆导体作地线等。,（5）高频电路（f1MHz）一般采用平面式多点接地方式，或采用混合接地方式，如工控机电路底板的工作地线与机箱采用多点接地方式。（6）工作地线浮置方式（工作地线与金属机箱绝缘）仅适用小规模设备（这时电路对机壳的分布电容较小）和工作速度较低的电路（频率较低），而对于规模较大、电路较复杂、工作速度较高的控制设备不应采用浮地方式。（7）机柜内同时装有多个电气设备（或电路单元）的情况下，工作地线、保护地线和屏蔽地线一般都接至机柜的中心接地点（接地排），然后接大地，这种接法可使柜体、设备、机箱、屏蔽和工作地线都保持在同一电位上。,8.3.3 屏蔽接地 为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。在低阻抗网络中，低电阻导体可以降低干扰作用，故低阻抗网络常用作电气设备内部高频信号的基准电平（如机壳或接地板），连接时应标明符号“ ”，公共基准电位的连接应使单独点尽可能靠近PE端子直接接地或连接它自己的外部（无噪声）大地导体端子。设备中的“ ”端子一般作为屏蔽地。,1屏蔽电缆的选择 屏蔽电缆的种类很多，一般可分为普通屏蔽线，双绞屏蔽线，同轴电缆。普通带编织层的多芯电缆具有电场屏蔽作用，双绞屏蔽线其总屏蔽层可以抑制电场干扰，双绞线可以抑制磁场干扰。（1）普通屏蔽线 适用于工作频率30kHz以下，特殊情况可用到几百kHz。普通屏蔽线用于输入/输出信号线、模拟信号线、脉冲式接口驱动器控制信号线（线长2m）、计算机串行通信线（线长2m）、电源线、电动机强电线。,（2）双绞线和屏蔽双绞线 适用于工作频率100kHz以下，特殊情况可用到几百kHz，双绞线具有较好的磁场屏蔽性能。双绞线用于直流电源线、小功率交流电源线（1kW ）。屏蔽双绞线用于编码器信号线、高频信号线、脉冲接口式驱动器控制信号线（线长2m），计算机串行通信线（线长2m）。（3）同轴电缆 适用于工作频率1000MHz以下。（4）双重屏蔽电缆 在系统中，如果采用一根电缆同时传输模拟信号和高频数字信号，则必须采用各自屏蔽线外再包一层总屏蔽的双重屏蔽电缆，这种电缆能防止电缆内部信号线间的干扰。,2屏蔽电缆接地设计要点（1）对于低频电路（flMHz），电路通常是单端接地，屏蔽电缆的屏蔽层也应单端接地，单端接地对电场起到主动屏蔽的作用，也能起到被动屏蔽作用。但对磁场没有屏蔽作用。（2）当电缆的长度l0.15（=v/f,l是传输线中信号的波长，v是信号的传输速度，f是信号的频率）时，则要求单点接地。无论是单芯或是多芯屏蔽电缆，在电源和负载电路中，一端为接地点，另一端与地绝缘，其中接地点就是屏蔽层的接地。一般均在输出端接地。这种连接不存在接地环路，屏蔽效果好，这是电缆层屏蔽最佳接地形式，也可在输入端接地，如图8.11、8.12所示。,图8.11 低频电路的屏蔽层接地,图8.12 屏蔽层单端接地,3）对于高频电路（f1MHz，电路通常是双端接地，屏蔽电缆的屏蔽层也应双端接地，双端接地能对电场产生屏蔽，对高频磁场也能产生屏蔽作用。屏蔽的电力电缆的屏蔽层应在电缆两端接地，如图8.13、8.14所示。,图8.13 变频器电动机电缆双端接地,图8.14 编码器电缆双端接地,(4）当电缆的长度l0.15时，则采用多点接地。一般屏蔽层按0.05或0.1的间隔接地，至少应该在屏蔽层两端接地，以降低地线阻抗，减少地电位引起的干扰电压。(5）数控系统中数控装置与伺服驱动器、变频器间的信号传输线一般推荐采用屏蔽双绞线，且屏蔽层采用双端接地方式。(6）对于输入信号电缆的屏蔽层不能在机壳内接地，只能在机壳的入口处接地，此时屏蔽层上的外加干扰信号直接在机壳入口处入地，避免屏蔽层上的外加干扰信号带入设备内部的信号电路上。,(7）对于高输入或高输出阻抗电路，尤其是在高静电环境中，可能需要用双层屏蔽的电缆，这时内屏蔽层可以在信一号源端接地，外屏蔽层则在负载端接地。(8）实现屏蔽层接地时应尽量避免产生所谓“猪尾巴”效应，多芯电缆屏蔽层一般用电缆金属夹钳接地。,屏蔽技术用来抑制电磁骚扰沿着空间的传播，即切断辐射电磁骚扰的传输途径。通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。 为防止电磁骚扰源向外辐射，则应该屏蔽骚扰源，这种方法称为主动屏蔽。为防止敏感设备受电磁骚扰辐射场的干扰，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。,8.4 屏蔽技术,当电磁骚扰源是高电压、小电流时，其辐射场主要表现为电场，电场屏蔽是抑制骚扰源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生的干扰。电场屏蔽的机理 电场感应可看成是分布电容间的耦合，图8.15中，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 式中：C1为A、B之间的分布电容，C2为受感应物对地电容。,8.4.1 电场屏蔽,图8.15 电场感应等效电路,可以看出，为了减弱受感应物B上的电场感应，可能采用的方法有：(1）增大A、B的距离，以减小A、B间的分布电容；(2）尽可能使感受物B贴近接地板，以增大其对地电容；(3）可以在A、B之间播入一块称为屏蔽板的金属薄板，如图8.16所示，此时,其中，C1C1，故CBCB，起到了屏蔽作用。注意：良好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，则可能产生比没有金属板时更严重的干扰。,图8.16 金属屏蔽薄板的作用,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、电动机）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）外壳应可靠接地，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300mm以上的距离，最小距离为100mm。,(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300mm以上，最小距离为50mm75mm，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。(6）屏蔽电缆既能对电场起到被动屏蔽作用，也能起到主动屏蔽作用，条件是屏蔽层接地。如果屏蔽层不接地，则有可能造成比不用屏蔽线时更大的电场耦合。 (7）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。,8.4.2 磁场屏蔽 当电磁骚扰源是低电压、大电流时，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8.17所示。,图8.17 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，如采用玻莫合金等，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位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体的磁通。（3）注意磁屏蔽体的结构设计，对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体结构。 （4）减少干扰源和敏感电路的环路面积。最好的办法是使用双绞线和屏蔽线，让信号线与接地线（或载流回线）扭绞在一起，以便使信号与接地（或载流回线）之间的距离最近。,（5）增大线间的距离，使得干扰源与受感应的线路之间的互感尽可能地小。（6）如有可能，使干扰源的线路与受感应线的线路呈直角（或接近直角）布线，这样可大大降低两线路间的磁场藕合。 （7）敏感设备应远离干扰源（强电设备、变压器等）布置，距离应保持300 mm以上。,8.4.3 电磁场屏蔽 电磁场屏蔽用于抑制噪声源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰。电磁场屏蔽必须同时屏蔽电场和磁场，通常采用电阻率小的良好导体材料。空间电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被大大衰减，从而也能起到屏蔽作用。一般采用屏蔽机箱或者屏蔽盒来实现电磁场的屏蔽。,1屏蔽机箱（盒）的结构材料（1）机箱的屏蔽材料一般采用铜板、铁板、铝板、镀锌铁板等，厚度约为0.2mm0.8mm，这些金属板对电场、高频磁场和电磁场的屏蔽效果都很好，可达100dB以上。（2）用于低频磁场屏蔽的高磁导率的铁磁性材料，一般不用作机箱，而是直接用在需要进行低频磁场屏蔽的元件上。 （3）对于塑料壳体，在其内壁喷涂一层薄膜导电层或在注塑时掺入高导电率的金属粉或金属纤维，使之成为导电塑料，对电磁场的屏蔽也有效果。,2屏蔽机箱（盒）的搭接 机箱的电气连续性是壳体屏蔽效能的决定性因素，因此，必须尽量减少机箱结构的电气不连续性，以便控制经底板和机壳进出的泄漏和辐射。（1）在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接。（2）保证接缝处金属对金属的接触，以防电磁能的泄漏和辐射。（3）在可能的情况下，接缝应焊接。在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定。,（4） 保证紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、振动时保持表面良好接触（5）在接缝不平整的地方，或在可移动的面板等处，可使用导电衬垫或指形压簧材料。（6）保证同衬垫配合的金属表面没有非导电保护层（如涂漆、喷塑）。（7）当需要活动接触时，使用指形压簧（而不用网状衬垫），并要注意保持弹性指簧的压力。衬垫种类有金属网射频衬垫和铜镀合金、导电橡皮、导电蒙布、泡沫衬垫等。,3屏蔽机箱（盒）的穿透和开口 机箱中通常都有电源线和控制线的引入和引出，在面板部分还有操作键、显示屏的开孔，还有通风孔等，这些孔隙都可能造成电磁波的严重泄漏。（1）要注意由于电缆穿过机壳能使整体屏蔽效能降低。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，机壳的屏蔽效能降低30dB以上。（2）电源线进入机壳时，应全部通过滤波器盒。（3）信号线、控制线进入/穿出机壳时，要通过适当的滤波器。,（4）为保险丝、插孔等加金属帽。（5）用导电衬垫和垫圈、螺母等固定、安装钮子开关，防止电磁泄漏。（6）在屏蔽、通风和强度要求高而重量不苛刻时，采用蜂窝板屏蔽通风口，最好用焊接方式连接，防止电磁泄漏。（7）尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容滤波；在不能从后面屏蔽指示器、显示器和对引线滤波时，要用与机壳连接的金属网或导电玻璃屏蔽在指示器、显示器的前面（采用夹金属丝的屏蔽玻璃或在透明塑料、玻璃上镀透明导电膜）。,滤波技术用来抑制沿导线传输的传导干扰，包括电源干扰和信号线干扰。滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性网络，可以插入传输线中，抑制骚扰信号的传播。8.5.1电源干扰抑制1.采用电源滤波器抑制电源线传输电磁干扰 电源滤波器的作用是双向的，它不仅可以阻止电网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产生的噪声污染电网。,8.5 滤波技术,（1）电源线滤波器的结构 如图8.18所示，电感L1和电感L2绕在一个磁芯上，这两个电感在电流通过时是互补的，用来衰减共模干扰，电容CX被用来衰减差模干扰，电容CY被用来衰减共模干扰。,图8.18 电源滤波器电路,（2）滤波器的实际滤波效果 在实际运用中的电源滤波器并非是一个理想的低通滤波器，滤波器的实际频率特性如图8.19所示，可以看出，普通电源滤波器不能有效抑制快速瞬变脉冲干扰。,图8.19 滤波器的频率特性,（3）电源滤波器设计要点 滤波器一般安装在机柜底部交流电线入口处，不能让输入的交流电源线在机柜内绕行很长距离后再接滤波器，以免该线在机柜内辐射噪声。 如果电源进线必须经过熔断器和电源开关等器件后才能接到滤波器上，则这段线路应采取屏蔽措施。 滤波器金属外壳最好直接安装在金属机柜上，而且应与机柜的接地端子靠得越近越好。, 滤波器的输入/输出线要分开布置，不要平行走线，更不应该捆扎在一起，否则输入线中的噪声将不经过滤波器直接祸合到输出线上。 滤波器输出线最好采用双绞线，以加强抗磁场干扰能力。 如果电源中高电压脉冲噪声比较多，则应选用能在更宽的频率上有较大衰减的电源滤波器，或者与铁氧体磁环线滤波器串联使用，以取得好的滤波效果。 流过滤波器的电流不允许超过滤波器最大额定电流，否则由于电感器的磁芯产生饱和，从而使电感量大大降低，失去抑制作用。,2采用吸收型滤波器抑制电源线中的快速瞬变脉冲串干扰 吸收式滤波器由耗能器件构成，将阻带内吸收的噪声转化为热损耗，从而起到滤波的作用。（1）铁氧体吸收型滤波器结构 用于电磁噪声抑制的铁氧体是一种磁性材料，由铁、镍、锌氧化物混合而成。铁氧体一般做成中空型，导线穿过其中，当导线中的电流穿过铁氧体时，低频电流几乎无衰减地通过，但高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发。所以铁氧体和穿过其中的导线即成为吸收型低通滤波器，能有效抑制快速瞬变脉冲串干扰。根据不同的使用场合，铁氧体滤波器可以做成多种形式，如图8.20所示。,图8.20 常见的铁氧体磁环,（2）铁氧体磁环构成线噪声滤波器的设计要点 电缆或导线应尽量与环内径紧密接触，不要留太大的空隙，这样导线上电流产生的磁通可基本上都集中在磁环内，从而增加滤波效果。 铁氧体磁环套在交流电源线和直流电源线上，用于抑制快速瞬变脉冲串干扰。 将导线以同样方向和圈数绕在磁环上，绕的圈数越多，滤波效果越好，一般在强电设备的输入侧为45圈，电线太粗时，可以用2个以上的磁环，如图8.21所示，使总圈数达到45圈，但输出侧的圈数必须在4圈以下，如图8.22所示。但应注意，图8.21中电源滤波器只允许用在伺服驱动器（或变频器）的输入侧，而不允许用在输出侧。,图8.21 伺服驱动器或变频器滤波电路,图8.22 两个磁环串连滤波, 磁环与电源滤波器串联使用，则构成EMC滤波器，滤波效果更佳。 在用磁环抑制直流电源和信号线共模噪声电流时，最好把正负电源线对或正负信号线对都穿过磁环，这样磁环就不易产生饱和，如图8.23所示。,图8.23 直流电源滤波电路, 如果使用磁珠或磁环的线路负载阻抗很高，则磁环很可能起不到作用，因为磁环的阻抗在几百兆赫时也只有几百欧，因此磁环比较适用于低阻抗电路。如果能在磁环后再并联电容组成类似L-C滤波器，则会大大降低负载阻抗，从而增加滤波效果，如图8.24所示。,图8.24 交流电源瞬变脉冲干扰抑制电路,3采用隔离变压器供电，有效抑制电源中的脉冲串、雷击浪涌干扰 隔离变压器是一种采用得相当广泛的电源线抗干扰器件，它最基本的作用是实现电路与电路之间的电气隔离，从而解决地线环路电流带来的设备与设备之间的干扰，同时，隔离变压器对于抗共模干扰也有一定作用，隔离变压器对瞬变脉冲串和雷击浪涌干扰能起到很好的抑制作用。（1）隔离变压器的类型 如图8.25所示，隔离变压器的类型有：简单的隔离变压器、带屏蔽层的隔离变压器、超级隔离变压器。,图8.25 隔离变压器,(2）隔离变压器设计要点 一般在数控系统中选用带屏蔽的隔离变压器，特殊场合才选用超级隔离变压器。 变压器的屏蔽层必须接地，屏蔽层的连接线必须粗短、直，否则在高频时的共模干扰抑制效果将变差。 隔离变压器初级进线与次级出线要分开布置，不能平行走线，更不能捆在一起，次级出线最好选用双绞线，加强抗磁场干扰能力。, 隔离变压器对雷击浪涌高压脉冲具有良好的抑制作用，交流电源变压器加上浪涌抑制器件后就变成防雷变压器，如图8.26所示。图中避雷器即气体放电管，浪涌吸收器用压敏电阻，变压器带有屏蔽层，次级侧的电容器可进一步抑制浪涌中的残留共模噪声。 隔离变压器与磁环配合使用，可以有效地抑制快速瞬变脉冲串干扰。 。,图8.26 防雷变压器,4. 采用交流稳压器 对于电网电压较长时间的欠电压、过电压和电压波动则需要安装交流稳压器给机床数控系统供电，如图8.27所示。,图8.27 采用交流稳压器供电,5.感性负载加吸收电路抑制瞬态噪声 系统中的感性负载如继电器、接触器、电磁阀、电动机等在关断时会产生强烈的脉冲噪声，影响其他电路的正常工作，必须在感性负载处加续流二极管或阻容吸收电路抑制瞬态噪声，其吸收电路的接线法如图8.28所示，阻容吸收电路（灭弧器）在安装时应尽量靠近感性负载，常见阻容吸收器如图8.29所示。,图8.28 感性负载并联吸收器件,图8.29 阻容吸收器（灭弧器）外形,8.5.2 信号线的干扰抑制 在数控系统中，信号线最容易受到干扰，会引起设备工作不正常。信号传输线常采取绝缘隔离、阻抗匹配、平衡传输、屏蔽与接地、合理布线等措施来抑制干扰，而信号传输线采取滤波则是抗干扰的另一重要措施。1. 模拟信号线干扰抑制（1）模拟信号传输线，特别容易受到外部干扰影响，所以配线应尽可能短，并应使用屏蔽线，如图8.30所示。,图8.30 变速器速度调节,（2）伺服驱动器或变频器连接模拟信号输出设备（数控装置）时，有时会由于模拟信号输出设备或由伺服驱动器、变频器产生的干扰引起误动作，发生这种情况时，可在外部模拟信号输出设备连接电容器、铁氧体磁环，如图8.31所示。,图8.31 模拟信号线滤波,（3）对变化缓慢的模拟信号可以采用RC低通滤波，如图8.32所示。,图8.32 RC低通滤波,（4）用电流传输代替电压在传输线上传输，然后通过长线终端的并联电阻变成电压信号，此时传输线一定要屏蔽并“单端接地”，如图8.33所示。,图8.33 模拟信号电流传输,2. 数字信号线干扰抑制（1）由于布线不当，信号环路面积较大引起数字信号波形振荡，可采取串电阻或插入一低通滤波器来抑制，如图8.34所示。,图8.34 拟制数字信号振荡的方法,（2）输入/输出传输线在连接器端口处应加高频去耦电容。通常输入/输出信号的频率低于时钟频率，高频去祸电容的选择应保证输入/输出信号正常传输而能滤除高频时钟频率及其谐波。电容应接在输入/输出线和地线之间。（3）在信号线上，安装数据线路滤波器，能有效抑制高频共模干扰。数据线滤波器由铁氧体磁环或穿心电容构成，例如：将铁氧体磁环靠近插头处套住输入电缆，最好的办法是采用直接带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚带有铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器。,（4）光电编码器、手摇脉冲发生器、光栅尺等输出信号在接收电路端并联电容可以有效抑制高频干扰，如图8.35所示。,图8.35 并联电容电路,5）降低敏感线路的输入阻抗，如在CMOS电路的入口端对地并联一个电容或一个阻值较低的电阻，可以降低因静电容而引入的干扰；对差动传输的数字信号，在信号输入端并接电阻和电容，能提高干扰抑制能力，如图8.36所示。,图8.36 降低输入阻抗,8.6 电磁兼容设计实例,图8.37是某数控系统采用的电磁兼容设计实例，图中和是接地排、电气设备安全接地和工作接地。接地排采用厚度不低于3mm的铜板制作，保证接触良好。是高压10002000V的瓷片电容，以减少电源线进入的浪涌电流的干扰。是铁氧体圆磁环，用以吸收高频电流，转变成热量散发。是RC灭弧器，以吸收高压反电势。是隔离变压器，数控系统电源、伺服电源、控制电源常采用隔离变压器供电，以抑制电源中的浪涌电压电流。是低通滤波器以过滤高频脉冲和电压。是供数控单元和控制阀线圈供电的直流电源。为电缆上连接的铁氧体磁环，可吸收高频脉冲，以提高信号传输的可靠性。是屏蔽电缆，屏蔽层用电缆金属夹钳接地。,图8.37数控系统电磁兼容设计实例,本 章 小 结,数控系统的稳定性、可靠性是数控机床稳定、可靠运行的重要条件。数控系统一般在电磁环境较恶劣的工业生产现场使用，所以在设计和应用数控系统时，应该对电磁干扰具有足够的抵抗能力。数控系统抗电磁干扰主要采用接地、滤波和屏蔽三种技术。 电磁兼容EMC，是指设备或系统在其电磁环境中能够正常工作，而且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。,电磁骚扰的产生须要具备骚扰源、传播途径、受扰系统三个因素，只要消除其中的一个因素，就不会发生电磁骚扰。因此，要想做到电磁兼容，只要设法减弱发射源信号电平，切断传播途径，或者提高受扰系统的抗扰能力。 数控系统一般在电磁环境较恶劣的工业现场使用，为了保证系统在此环境中能够正常工作，系统必须达到规定的电磁兼容性要求。 从产生电磁骚扰的骚扰源、传播途径、受骚扰系统三个因 素出发，数控系统通常采用接地、屏蔽、滤波三大措施来提高系统的抗电磁干扰能力。,接地就是提供一个等电位点，可有效抑制强电设备运行时干扰源的发射电平。为防止共地线阻抗干扰，在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分为3类，即保护地线（安全接地）、工作地线（工作接地）、屏蔽地线（屏蔽接地）。屏蔽技术用来抑制电磁骚扰沿着空间的传播，切断辐射电磁骚扰的传输途径。屏蔽按其机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。采用滤波技术，可提高敏感设备的抗干扰能力。滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性网络，可以插入传输线中，抑制骚扰信号的传播。,习 题 8,8.1 什么是电磁兼容，电磁兼容的三要素是什么？8.2 简述产生电磁骚扰的三个因素，如何做到电磁兼容？8.3 简述数控系统的电磁兼容性要求。8.4 接地的作用是什么，有哪几类接地，各自的作用是什么？,8.5屏蔽的作用是什么，有哪些屏蔽方法，各起什么作用？8.6什么是滤波器，其主要作用是什么？8.7举例说明数控系统中经常采用的滤波技术。,