基于屏蔽技术的华中数控系统EMC设计

目前，稳定性、可靠性是数控机床的首要条件，而数控系统的稳定性、可靠性则是保证数控机床稳定、可靠运行的重要条件。在经济全球化和中国是制造大国的格局下，数控机床一般在电磁环境较恶劣的工业现场，长时间、高强度、连续性使用。因此，为了保证数控系统及数控机床能正常工作，特别是在我国电网质量波动比较大的情况下，数控系统的电磁兼容性（EMC）设计更为重要。电磁兼容性（EMC）是指：数控系统在其电磁环境中能正常运行且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。现就结合华中数控系统，来谈一下数控系统的电磁兼容性（EMC）设计。
1 数控系统电磁兼容性设计要求
为了保证数控系统在电磁环境较恶劣的工业现场，长时间、连续性正常使用，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。
1.1 静电放电抗扰度试验
数控系统运行时，按照GB/T 17626.2 的规定，对操作人员经常触及的所有部位与保护接地端子（PE）间进行静电放电试验，接触放电电压为6kV，空气放电电压为8kV，试验中数控系统能正常运行。
1.2 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验
数控系统运行时，按照GB/T 17626.4 的规定，分别在交流供电电源端和保护接地端（PE）之间加入峰值2kV、重复频率5kHz 脉冲群，时间1min；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，数控系统能正常运行。
1.3 浪涌（冲击）抗扰度试验
数控系统运行时，按照GB/T 17626.5 的规定，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 的浪涌（冲击）电压。浪涌（冲击）重复率为1 次/min，极性为正/负极。试验时正/负各进行5次，数控系统应能正常运行。
1.4 电压暂降和短时中断抗扰度试验
数控系统运行时，按照GB/T 17626.11 的规定，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；按照GB/T 5226.1—1996 中4.3 的规定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，数控系统应能正常运行。
2 数控系统电磁EMC设计中屏蔽技术
在数控机床系统中，既有高电压、大电流的强电设备，又有低电压、小电流的控制与信号处理设备和传感器等弱电设备。强电设备工作过程中产生的强烈电磁干扰对弱电设备的正常工作构成极大的威胁。除此之外，生产现场的电磁环境较恶劣，系统外各种动力负载、供电系统、大气中骚扰等都会对控制弱电设备造成干扰，使其不能正常工作，从而造成整个系统瘫痪。为了保证数控系统能正常工作，屏蔽技术是数控系统电磁兼容性设计中通常采用的三种技术措施之一。
屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，即切断辐射电磁噪声的传输途径。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。屏蔽按其机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
2.1 电场屏蔽
当噪声源是高电压、小电流时，其辐射场主要表现为电场，电场屏蔽是抑制噪声源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生的干扰。
2.1.1 电场屏蔽的机理


2.1.2 电场屏蔽设计要点
电场屏蔽设计时应考虑：一、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、电机）金属外壳可靠接地，实现主动屏蔽；二、敏感设备（如数控装置等）外壳应可靠接地，实现被动屏蔽；三、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30cm以上的距离，最小距离为10cm；四、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30cm以上，最小距离为5～7.5cm，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；五、信号线应尽量靠近地线（或接地平板）或者用地线包围它； 六、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。
2.2 磁场屏蔽
当噪声源具有低电压和大电流性能时，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。
2.2.1 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，图3说明了这一原理。

2.2.2 磁场屏蔽的设计要点
磁场屏蔽的设计时应考虑：一、选用高导磁率的材料，如玻莫合金等，并适当增加屏蔽体的壁厚；二、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体内的磁通；三、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；四、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；五、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；六、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耦合；七、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30cm以上。
2.3 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。从而起到屏蔽作用。
3 结束语
在经济全球化和中国是制造大国的格局下，在我国电网质量波动比较大及为保证数控机床在电磁环境较恶劣的工业现场长时间、高强度、连续性使用情况下，本文结合华中数控系统，叙述了数控系统电磁兼容性设计要求及如何采用屏蔽技术来实现数控系统电磁兼容性。