論數控機床電氣EMC設計中的屏蔽及接地

楊海燕

［齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005］

我國的數控機床技術迅猛發展，取得了明顯成效。雖然國產數控系統取得了長足的進步，但卻存在許多質量問題，具體表現在可靠性差、穩定性差、一致性差、制造工藝粗糙等方面[1]。而利用電氣EMC設計，可以有效地提升數控機床系統的安全性、可靠性、穩定性。數控機床一般工作在電磁環境極其惡劣的施工現場中，如果不控制好電磁干擾，就會容易出現數控系統、電動機等部位的異常警報，這類問題處理起來比較復雜，耗費的時間比較久，影響了正常工作的進度。為了避免這類問題，在數控機床電氣EMC設計中，應當從整體、全面的角度考慮電氣系統的排線布局、電磁屏蔽和接地問題，這是電氣設計師應當具備的基礎素質，也是后期安全生產的保障。因此，設計師應當重視這部分問題，在實際設計中，嚴格依照設計標準，認真設計數控機床電氣EMC系統，確保整體系統的質量。

1 保護接地設計

保護接地是防止人身觸電事故、保證電氣設備正常運行的重要技術措施[2]。保護接地設計，是數控機床電氣EMC設計中，為了防止機床的金屬外殼、配電裝置（如發電機等）和線路等帶電設備發生觸電危險而進行的設計。數控機床中一些絕緣材料，經過長期使用，可能就會出現損壞，從而導致絕緣材料帶電，給設備安全和人身安全帶來隱患。數控機床電氣系統如果沒有保護接地設計，當一部分絕緣材料損壞時，數控機床的外殼就會帶電，操作人員一旦接觸到外殼，就會有觸電危險，同時，設備也會產生短路。為了避免這種情況，保護接地設計是十分有必要的。保護接地設計，將一些可能帶電的金屬部分，用導線和接地體連接起來，利用“三相三線制”供電系統，一旦設備發生漏電或短路，上級的保護接地設施，如斷路器或者漏電斷路器，會自動脫口，自主切斷設備電源，以便操作人員檢查維修其中的故障體，這樣就能很好地保證設備的安全和操作人員的人身安全。

2 工作接地設計

工作接地是指將電力系統的某點（如中性點）直接接大地，或經消弧線圈、電阻等與大地金屬連接，如變壓器、互感器中性點接地等[3]。工作接地利用中性點，可以規定繼電裝置的動作，消除單相電弧接地過電壓，是數控機床電氣系統運行的“必需品”。同時，利用中性點進行工作接地設計，當電流成為單相短路電流時，能夠迅速切斷電源故障，保障了操作的安全。因此，在EMC設計中，做好工作接地設計很有必要。工作接地方式有浮地、單點接地、多點接地和混合接地。工作接地的設計要點，主要有以下幾個方面。

2.1 留有開口

數控機床電氣系統的底線，不能設計成封閉的環狀，而是要留有一定的開口。這是為了減少電磁系統的干擾而設計的，封閉的電路環，會在外界磁場的作用下，產生電流，當電流在地線阻抗上有電壓降時，容易產生共阻抗干擾。

2.2 做好隔離

一般來說，在設計數控機床電氣系統時，設計師要對電氣系統之間做好隔離，從而減少地線環路間的共阻抗耦合干擾，而目前比較有用的方式，就是采用隔離變壓器、光電耦合等方式。

2.3 設置獨立地線

設計數控機床電氣系統時，應當對設備內部的各種電路，如功率電路、數字電路、噪聲電路等，設置一個相互獨立的地線，保證設備線路間的安全。

2.4 低頻電路

低頻電路是數控機床設計的重點，一般來說，低頻電路采用放射式的形狀，單點接地，而其中地線長度不應當超過地線中高頻電流的波長λ（λ=v/f，λ是波長，v是高頻電流的速度，f是高頻電流頻率的1/20）。

2.5 高頻電路

高頻電路是數控機床電氣系統的關鍵，一般來說，高頻電路是采用平面式的形狀，多點接地或者是混合接地。設計師應當把握住這個要點，在設計中，靈活利用高頻電路。

2.6 浮置方式

在一些小規模的數控機床中，工作地線一般采用浮置方式進行設計，這類機床設備小，電路對金屬外殼的分布電容較小；同時，這類設備工作時，可以利用工作速度較低的電路。通過工作接地設計，有效地提升了數控機床電氣EMC設計的質量。

3 抗干擾措施

數控機床電氣EMC設計中，抗干擾措施涉及的內容比較多，需要設計師從多個方面努力。

3.1 隔離抗干擾

在實際操作中，由于雷電等天氣因素或者由于其他機床的馬達啟動、靜電、繼電器工作等外界因素，都可能引發數控機床電氣系統的故障，因此，設計師應當采用良好的隔離措施，阻礙外界因素的干擾。例如，在數控機床的總機上安裝避雷器，就可以隔離外界的雷電干擾；在總機上安裝隔離變壓器，也可以隔離外界干擾。

3.2 屏蔽抗干擾

利用屏蔽措施，抑制數控機床中電磁波的傳導與輻射。例如，內部電路系統可以利用屏蔽電纜，減少電路之間的干擾；模擬信號線應當有一個獨立自主的走向，各個信號線之間有屏蔽層，從而減少信號線之間的耦合。

3.3 設備抗干擾

設計師在設計時，應當學會合理利用電抗器、濾波器等設備，做好抗干擾工作。例如，濾波器可以減少開關差模和共模之間的電壓干擾，當開關頻率的基頻和諧波在1 MHz以下時，以差模為主，而在1 MHz以上時，以共模為主。利用濾波器，把濾波器的外殼連接到機床的金屬板上，20 MHz波動頻率會下降至85 dB，這樣可以抑制電磁波。

3.4 滅弧裝置抗干擾

在數字機床電氣系統中，又很多觸點，當觸點接通和分斷電流時，往往會產生或熄滅電弧，電弧對機床的危害性不言而喻，因此，設計師應當在設計時，配備一定的滅弧裝置。常見的滅弧裝置有滅弧罩、油冷滅弧裝置、氣吹滅弧裝置、橫向金屬柵片滅弧、真空滅弧裝置等，各種滅弧裝置都有自己的優勢，設計師應當根據設計需要，自主選擇合適的滅弧裝置，以解決電弧對機床設備的影響。

4 開關電源設計

數控機床電氣系統的一大特點就是開關電源所產生的電磁噪音強，如果不加以控制，將會對整個系統產生極大的干擾。因此，設計師應當采用一定的措施，降低開關電源的電磁噪音。

4.1 合理選擇電路

對于電路選擇而言，最關鍵的就是要使 di/dt與dv/dt保持在一個相對較低的水平，這樣一方面減少了輻射，另一方面也減輕了開關管的壓力，而這些電路包含了零電壓開關（ZVS）、零電流開關（ZCS）和單端初級電感轉換器（SEPIC）等多個部分的組合。

4.2 合理選擇阻尼

阻尼是為了避免開關管因受到寄生參數作用，而產生振蕩尖峰電壓沖擊所設置的，當阻尼連接到有問題的電路上，就會減少發射。對于EMC設計而言，目前比較有效的阻尼器就是RC阻尼器，但是它也有一個缺點，就是容易發熱。設計師應當根據實際，權衡各種阻尼器的利弊，謹慎使用阻尼器。

4.3 合理選擇散熱器

在數控機床電氣EMC系統中，散熱器與TO247功率器件、集電極的漏極之間，會存在50的電容，因此會產生極強的電磁噪音發射，如果設計師僅僅利用散熱片，只會把噪音傳輸到地底，而不會從根本上減少整體的發射。設計師應當在機床的樣機上，多次進行試驗，選擇合理的散熱器和散熱器安裝方式，找到最佳的散熱方法，從而減少電磁噪音的干擾。

4.4 合理選擇開關類型

在實際中，設計師應當從全局角度出發，選擇合適的開關類型。例如，用于機床的一次電源整流器和二次電源整流器，會產生反向電流，進而引發大的電磁噪音，而比較好的解決方式，就是利用快速軟開關。

4.5 合理選擇磁性元件

磁性元件是數控機床電氣EMC系統中不可或缺的一部分，設計師在實際設計中，應當注重這部分工作。而其中最重要的就是變壓器與電感之間的磁路應當是處于閉合狀態。例如，在一個磁環中，應當選擇環形的磁環或者是無縫閉合的磁環，而如果非要在磁環上開縫時，就需要利用一個封閉的完全短路環來降低寄生泄漏磁場的作用。又比如，設計師還可以利用電容，設計返回路徑，減少噪聲電流，當初級開關噪音通過一些設備，如隔離變壓器的線圈匝之間的電容，會進入到次級，在次級形成新的共模噪音，這種噪音比較難消除，還會產生發射現象，影響設備的使用壽命。而利用次級地上的小電容，把這個小電容連接到初級電源線上，為共模電流創造一條返回路徑，就可以很好地減少噪音。同時，這個小電容也可以有助于次級濾波器更好地工作。

4.6 合理選擇時鐘擴頻

時鐘擴頻技術可以有效地防止噪音發射集中在幾個窄帶頻點上，而把這一技術應用到開關電源中，可以使開關電源的擴頻范圍大幅增加，減少噪音的干擾。目前，很多生產商都采用了這一技術。

5 結語

數控機床的電磁干擾是一個內容多且復雜的問題，設計師應當根據實際工作中的干擾源，選擇合適的抗干擾方式，實現合理抑制干擾，保證了機床的安全高效運轉。