基于屏蔽技術(shù)的華中數(shù)控系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)
摘要： 目前，穩(wěn)定性、可靠性是數(shù)控機(jī)床的首要條件，而數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性則是保證數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要條件。在經(jīng)濟(jì)全球化和中國(guó)是制造大國(guó)的格局下，數(shù)控機(jī)床一般在電磁環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、連續(xù)性使用。因此，為了保證數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床能正常工作，特別是在我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量波動(dòng)比較大的情況下，數(shù)控系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)更為重要。電磁兼容性（EMC）是指：數(shù)控系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常運(yùn)行且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。現(xiàn)就結(jié)合華中數(shù)控系統(tǒng)，來(lái)談一下數(shù)控系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。
Abstract：
Key words :
目前，穩(wěn)定性、可靠性是數(shù)控機(jī)床的首要條件，而數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性則是保證數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要條件。在經(jīng)濟(jì)全球化和中國(guó)是制造大國(guó)的格局下，數(shù)控機(jī)床一般在電磁環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、連續(xù)性使用。因此，為了保證數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床能正常工作，特別是在我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量波動(dòng)比較大的情況下，數(shù)控系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)更為重要。電磁兼容性（EMC）是指：數(shù)控系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常運(yùn)行且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。現(xiàn)就結(jié)合華中數(shù)控系統(tǒng)，來(lái)談一下數(shù)控系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。
1 數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)要求
為了保證數(shù)控系統(tǒng)在電磁環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)性正常使用，系統(tǒng)必須達(dá)到JB/T 8832-2001“機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)通用技術(shù)條件”中的電磁兼容性要求。
1.1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.2 的規(guī)定，對(duì)操作人員經(jīng)常觸及的所有部位與保護(hù)接地端子（PE）間進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)，接觸放電電壓為6kV，空氣放電電壓為8kV，試驗(yàn)中數(shù)控系統(tǒng)能正常運(yùn)行。
1.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.4 的規(guī)定，分別在交流供電電源端和保護(hù)接地端（PE）之間加入峰值2kV、重復(fù)頻率 5kHz 脈沖群，時(shí)間1min；在I/O 信號(hào)、數(shù)據(jù)和控制端口電纜上用耦合夾加入峰值1kV，重復(fù)頻率5kHz 脈沖群，時(shí)間1min。試驗(yàn)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)能正常運(yùn)行。
1.3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.5 的規(guī)定，分別在交流輸入電源相線之間疊加峰值為1kV 的浪涌（沖擊）電壓；在交流輸入電源相線與保護(hù)接地端（PE）間疊加峰值為2kV 的浪涌（沖擊）電壓。浪涌（沖擊）重復(fù)率為1 次/min，極性為正/負(fù)極。試驗(yàn)時(shí)正/負(fù)各進(jìn)行5次，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能正常運(yùn)行。
1.4 電壓暫降和短時(shí)中斷抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.11 的規(guī)定，在交流輸入電源任意時(shí)間電壓幅值降為額定值的70%，持續(xù)時(shí)間500ms，相繼降落間隔時(shí)間為10s；按照GB/T 5226.1—1996 中4.3 的規(guī)定在交流輸入電源任意時(shí)間電壓短時(shí)中斷3ms，相繼中斷間隔時(shí)間為10s。電壓暫降和短時(shí)中斷各進(jìn)行3 次，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能正常運(yùn)行。
2 數(shù)控系統(tǒng)電磁EMC設(shè)計(jì)中屏蔽技術(shù)
在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，既有高電壓、大電流的強(qiáng)電設(shè)備，又有低電壓、小電流的控制與信號(hào)處理設(shè)備和傳感器等弱電設(shè)備。強(qiáng)電設(shè)備工作過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁干擾對(duì)弱電設(shè)備的正常工作構(gòu)成極大的威脅。除此之外，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境較惡劣，系統(tǒng)外各種動(dòng)力負(fù)載、供電系統(tǒng)、大氣中騷擾等都會(huì)對(duì)控制弱電設(shè)備造成干擾，使其不能正常工作，從而造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。為了保證數(shù)控系統(tǒng)能正常工作，屏蔽技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)中通常采用的三種技術(shù)措施之一。
屏蔽技術(shù)用來(lái)抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來(lái)，使屏蔽體內(nèi)外的“場(chǎng)”相互隔離。屏蔽按其機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。
2.1 電場(chǎng)屏蔽
當(dāng)噪聲源是高電壓、小電流時(shí)，其輻射場(chǎng)主要表現(xiàn)為電場(chǎng)，電場(chǎng)屏蔽是抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于存在電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的干擾。
2.1.1 電場(chǎng)屏蔽的機(jī)理
2.1.2 電場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn)
電場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：一、系統(tǒng)中的強(qiáng)電設(shè)備（伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)）金屬外殼可靠接地，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)屏蔽；二、敏感設(shè)備（如數(shù)控裝置等）外殼應(yīng)可靠接地，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)屏蔽；三、強(qiáng)電設(shè)備與敏感設(shè)備之間距離盡可能遠(yuǎn)，一般在電柜內(nèi)，強(qiáng)、弱電設(shè)備盡量保持30cm以上的距離，最小距離為10cm；四、高電壓、大電流動(dòng)力線與信號(hào)線應(yīng)分開(kāi)走線，例如各自使用各自獨(dú)立的線槽等，距離盡可能保持在30cm以上，最小距離為 5～7.5cm，同時(shí)盡量避免平行走線，不能將強(qiáng)電線與信號(hào)線捆扎在一起；五、信號(hào)線應(yīng)盡量靠近地線（或接地平板）或者用地線包圍它； 六、屏蔽電纜既能對(duì)電場(chǎng)起到被動(dòng)屏蔽作用，也能起到主動(dòng)屏蔽作用，條件是屏蔽層接地。
2.2 磁場(chǎng)屏蔽
當(dāng)噪聲源具有低電壓和大電流性能時(shí)，其輻射場(chǎng)主要表現(xiàn)為磁場(chǎng)，磁場(chǎng)屏蔽是抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于磁場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的干擾。
2.2.1 磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理
磁場(chǎng)屏蔽主要是依賴高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻對(duì)磁通起到分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大減弱，圖3說(shuō)明了這一原理。
2.2.2 磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：一、選用高導(dǎo)磁率的材料，如玻莫合金等，并適當(dāng)增加屏蔽體的壁厚；二、被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減少通過(guò)被屏蔽物體體內(nèi)的磁通；三、注意磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體結(jié)構(gòu)；四、減少干擾源和敏感電路的環(huán)路面積。最好的辦法是使用雙絞線和屏蔽線，讓信號(hào)線與接地線（或載流回線）扭絞在一起，以便使信號(hào)與接地（或載流回線）之間的距離最近；五、增大線間的距離，使得干擾源與受感應(yīng)的線路之間的互感盡可能地小；六、如有可能，使干擾源的線路與受感應(yīng)線的線路呈直角（或接近直角）布線，這樣可大大降低兩線路間的磁場(chǎng)耦合；七、敏感設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源（強(qiáng)電設(shè)備、變壓器等）布置，距離應(yīng)保持30cm以上。
2.3 電磁場(chǎng)屏蔽
電磁場(chǎng)屏蔽用于抑制噪聲源和敏感設(shè)備距離較遠(yuǎn)時(shí)通過(guò)電磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的干擾。電磁場(chǎng)屏蔽必須同時(shí)屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通常采用電阻率小的良導(dǎo)體材料。空間電磁波在入射到金屬體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和吸收，電磁能量被大大衰減。從而起到屏蔽作用。
3 結(jié)束語(yǔ)
在經(jīng)濟(jì)全球化和中國(guó)是制造大國(guó)的格局下，在我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量波動(dòng)比較大及為保證數(shù)控機(jī)床在電磁環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、連續(xù)性使用情況下，本文結(jié)合華中數(shù)控系統(tǒng)，敘述了數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)要求及如何采用屏蔽技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性。
1 數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)要求
為了保證數(shù)控系統(tǒng)在電磁環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)性正常使用，系統(tǒng)必須達(dá)到JB/T 8832-2001“機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)通用技術(shù)條件”中的電磁兼容性要求。
1.1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.2 的規(guī)定，對(duì)操作人員經(jīng)常觸及的所有部位與保護(hù)接地端子（PE）間進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)，接觸放電電壓為6kV，空氣放電電壓為8kV，試驗(yàn)中數(shù)控系統(tǒng)能正常運(yùn)行。
1.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.4 的規(guī)定，分別在交流供電電源端和保護(hù)接地端（PE）之間加入峰值2kV、重復(fù)頻率 5kHz 脈沖群，時(shí)間1min；在I/O 信號(hào)、數(shù)據(jù)和控制端口電纜上用耦合夾加入峰值1kV，重復(fù)頻率5kHz 脈沖群，時(shí)間1min。試驗(yàn)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)能正常運(yùn)行。
1.3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.5 的規(guī)定，分別在交流輸入電源相線之間疊加峰值為1kV 的浪涌（沖擊）電壓；在交流輸入電源相線與保護(hù)接地端（PE）間疊加峰值為2kV 的浪涌（沖擊）電壓。浪涌（沖擊）重復(fù)率為1 次/min，極性為正/負(fù)極。試驗(yàn)時(shí)正/負(fù)各進(jìn)行5次，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能正常運(yùn)行。
1.4 電壓暫降和短時(shí)中斷抗擾度試驗(yàn)
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，按照GB/T 17626.11 的規(guī)定，在交流輸入電源任意時(shí)間電壓幅值降為額定值的70%，持續(xù)時(shí)間500ms，相繼降落間隔時(shí)間為10s；按照GB/T 5226.1—1996 中4.3 的規(guī)定在交流輸入電源任意時(shí)間電壓短時(shí)中斷3ms，相繼中斷間隔時(shí)間為10s。電壓暫降和短時(shí)中斷各進(jìn)行3 次，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能正常運(yùn)行。
2 數(shù)控系統(tǒng)電磁EMC設(shè)計(jì)中屏蔽技術(shù)
在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，既有高電壓、大電流的強(qiáng)電設(shè)備，又有低電壓、小電流的控制與信號(hào)處理設(shè)備和傳感器等弱電設(shè)備。強(qiáng)電設(shè)備工作過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁干擾對(duì)弱電設(shè)備的正常工作構(gòu)成極大的威脅。除此之外，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境較惡劣，系統(tǒng)外各種動(dòng)力負(fù)載、供電系統(tǒng)、大氣中騷擾等都會(huì)對(duì)控制弱電設(shè)備造成干擾，使其不能正常工作，從而造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。為了保證數(shù)控系統(tǒng)能正常工作，屏蔽技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)中通常采用的三種技術(shù)措施之一。
屏蔽技術(shù)用來(lái)抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來(lái)，使屏蔽體內(nèi)外的“場(chǎng)”相互隔離。屏蔽按其機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。
2.1 電場(chǎng)屏蔽
當(dāng)噪聲源是高電壓、小電流時(shí)，其輻射場(chǎng)主要表現(xiàn)為電場(chǎng)，電場(chǎng)屏蔽是抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于存在電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的干擾。
2.1.1 電場(chǎng)屏蔽的機(jī)理
2.1.2 電場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)要點(diǎn)
電場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：一、系統(tǒng)中的強(qiáng)電設(shè)備（伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)）金屬外殼可靠接地，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)屏蔽；二、敏感設(shè)備（如數(shù)控裝置等）外殼應(yīng)可靠接地，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)屏蔽；三、強(qiáng)電設(shè)備與敏感設(shè)備之間距離盡可能遠(yuǎn)，一般在電柜內(nèi)，強(qiáng)、弱電設(shè)備盡量保持30cm以上的距離，最小距離為10cm；四、高電壓、大電流動(dòng)力線與信號(hào)線應(yīng)分開(kāi)走線，例如各自使用各自獨(dú)立的線槽等，距離盡可能保持在30cm以上，最小距離為 5～7.5cm，同時(shí)盡量避免平行走線，不能將強(qiáng)電線與信號(hào)線捆扎在一起；五、信號(hào)線應(yīng)盡量靠近地線（或接地平板）或者用地線包圍它； 六、屏蔽電纜既能對(duì)電場(chǎng)起到被動(dòng)屏蔽作用，也能起到主動(dòng)屏蔽作用，條件是屏蔽層接地。
2.2 磁場(chǎng)屏蔽
當(dāng)噪聲源具有低電壓和大電流性能時(shí)，其輻射場(chǎng)主要表現(xiàn)為磁場(chǎng)，磁場(chǎng)屏蔽是抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于磁場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的干擾。
2.2.1 磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理
磁場(chǎng)屏蔽主要是依賴高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻對(duì)磁通起到分路的作用，使得屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)大大減弱，圖3說(shuō)明了這一原理。
2.2.2 磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：一、選用高導(dǎo)磁率的材料，如玻莫合金等，并適當(dāng)增加屏蔽體的壁厚；二、被屏蔽的物體不要安排在緊靠屏蔽體的位置上，以盡量減少通過(guò)被屏蔽物體體內(nèi)的磁通；三、注意磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體結(jié)構(gòu)；四、減少干擾源和敏感電路的環(huán)路面積。最好的辦法是使用雙絞線和屏蔽線，讓信號(hào)線與接地線（或載流回線）扭絞在一起，以便使信號(hào)與接地（或載流回線）之間的距離最近；五、增大線間的距離，使得干擾源與受感應(yīng)的線路之間的互感盡可能地小；六、如有可能，使干擾源的線路與受感應(yīng)線的線路呈直角（或接近直角）布線，這樣可大大降低兩線路間的磁場(chǎng)耦合；七、敏感設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源（強(qiáng)電設(shè)備、變壓器等）布置，距離應(yīng)保持30cm以上。
2.3 電磁場(chǎng)屏蔽
電磁場(chǎng)屏蔽用于抑制噪聲源和敏感設(shè)備距離較遠(yuǎn)時(shí)通過(guò)電磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的干擾。電磁場(chǎng)屏蔽必須同時(shí)屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通常采用電阻率小的良導(dǎo)體材料。空間電磁波在入射到金屬體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和吸收，電磁能量被大大衰減。從而起到屏蔽作用。
3 結(jié)束語(yǔ)
在經(jīng)濟(jì)全球化和中國(guó)是制造大國(guó)的格局下，在我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量波動(dòng)比較大及為保證數(shù)控機(jī)床在電磁環(huán)境較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、連續(xù)性使用情況下，本文結(jié)合華中數(shù)控系統(tǒng)，敘述了數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)要求及如何采用屏蔽技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)電磁兼容性。
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