数控原理与系统第八章

第8章数控系统的电磁兼容设计第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电磁兼容设计实例第8章数控系统的电磁兼容设计8.1电磁兼容概述8.1.1电磁兼容的定义电磁兼容EMC（ElectromagneticCompatibility），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。第8章数控系统的电磁兼容设计电磁骚扰EMD（ElectromagneticDisturbance）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（ElectromagneticInterference），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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计（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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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/T8832-2001“机床数控系统通用技术条件”中的电磁兼容性要求。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计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数控系统接地技术第8章数控系统的电磁兼容设计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）。第8章数控系统的电磁兼容设计电源端接地点外露可导电部分（金属机壳等）电气设备接地端L1用户两相电气设备用户三相电气设备L2L3N图8.1TT接地形式第8章数控系统的电磁兼容设计电源端接地点外露可导电部分（金属机壳等）L1用户两相电气设备用户三相电气设备L2L3NPE图8.2TN-S接地形式第8章数控系统的电磁兼容设计电源端接地点外露可导电部分（金属机壳等）L1用户两相电气设备用户三相电气设备L2L3PEN图8.3TN-C接地形式第8章数控系统的电磁兼容设计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4Ω。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。第8章数控系统的电磁兼容设计1.（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20Ω。一般采用多个金属棒并联构成接地电阻小于4Ω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。第8章数控系统的电磁兼容设计3m1.8m1.5~2m接地极埋入金属棒后应填实接地极a）b）图8.4采用金属棒制作接地极第8章数控系统的电磁兼容设计（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。2.5m接地极埋入金属板后应填实金属板加入2~5kg盐图8.5采用金属板制作接地极第8章数控系统的电磁兼容设计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4Ω。（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。第8章数控系统的电磁兼容设计伺服电源伺服驱动器X伺服驱动器Y伺服驱动器Z开关电源变频器X轴电机Y轴电机Z轴电机主轴电机PE接地排控制柜图8.6保护接地连接第8章数控系统的电磁兼容设计（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。第8章数控系统的电磁兼容设计123123123（a）正确接法接地排（b）错误接法接地排接地排伺服驱动器MM伺服驱动器接地排接地排图8.7保护接地不得构成环路第8章数控系统的电磁兼容设计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。第8章数控系统的电磁兼容设计(1）浮地。如