论数控机床电气EMC设计中的屏蔽及接地

杨海燕

［齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005］

我国的数控机床技术迅猛发展，取得了明显成效。虽然国产数控系统取得了长足的进步，但却存在许多质量问题，具体表现在可靠性差、稳定性差、一致性差、制造工艺粗糙等方面[1]。而利用电气EMC设计，可以有效地提升数控机床系统的安全性、可靠性、稳定性。数控机床一般工作在电磁环境极其恶劣的施工现场中，如果不控制好电磁干扰，就会容易出现数控系统、电动机等部位的异常警报，这类问题处理起来比较复杂，耗费的时间比较久，影响了正常工作的进度。为了避免这类问题，在数控机床电气EMC设计中，应当从整体、全面的角度考虑电气系统的排线布局、电磁屏蔽和接地问题，这是电气设计师应当具备的基础素质，也是后期安全生产的保障。因此，设计师应当重视这部分问题，在实际设计中，严格依照设计标准，认真设计数控机床电气EMC系统，确保整体系统的质量。

1 保护接地设计

保护接地是防止人身触电事故、保证电气设备正常运行的重要技术措施[2]。保护接地设计，是数控机床电气EMC设计中，为了防止机床的金属外壳、配电装置（如发电机等）和线路等带电设备发生触电危险而进行的设计。数控机床中一些绝缘材料，经过长期使用，可能就会出现损坏，从而导致绝缘材料带电，给设备安全和人身安全带来隐患。数控机床电气系统如果没有保护接地设计，当一部分绝缘材料损坏时，数控机床的外壳就会带电，操作人员一旦接触到外壳，就会有触电危险，同时，设备也会产生短路。为了避免这种情况，保护接地设计是十分有必要的。保护接地设计，将一些可能带电的金属部分，用导线和接地体连接起来，利用“三相三线制”供电系统，一旦设备发生漏电或短路，上级的保护接地设施，如断路器或者漏电断路器，会自动脱口，自主切断设备电源，以便操作人员检查维修其中的故障体，这样就能很好地保证设备的安全和操作人员的人身安全。

2 工作接地设计

工作接地是指将电力系统的某点（如中性点）直接接大地，或经消弧线圈、电阻等与大地金属连接，如变压器、互感器中性点接地等[3]。工作接地利用中性点，可以规定继电装置的动作，消除单相电弧接地过电压，是数控机床电气系统运行的“必需品”。同时，利用中性点进行工作接地设计，当电流成为单相短路电流时，能够迅速切断电源故障，保障了操作的安全。因此，在EMC设计中，做好工作接地设计很有必要。工作接地方式有浮地、单点接地、多点接地和混合接地。工作接地的设计要点，主要有以下几个方面。

2.1 留有开口

数控机床电气系统的底线，不能设计成封闭的环状，而是要留有一定的开口。这是为了减少电磁系统的干扰而设计的，封闭的电路环，会在外界磁场的作用下，产生电流，当电流在地线阻抗上有电压降时，容易产生共阻抗干扰。

2.2 做好隔离

一般来说，在设计数控机床电气系统时，设计师要对电气系统之间做好隔离，从而减少地线环路间的共阻抗耦合干扰，而目前比较有用的方式，就是采用隔离变压器、光电耦合等方式。

2.3 设置独立地线

设计数控机床电气系统时，应当对设备内部的各种电路，如功率电路、数字电路、噪声电路等，设置一个相互独立的地线，保证设备线路间的安全。

2.4 低频电路

低频电路是数控机床设计的重点，一般来说，低频电路采用放射式的形状，单点接地，而其中地线长度不应当超过地线中高频电流的波长λ（λ=v/f，λ是波长，v是高频电流的速度，f是高频电流频率的1/20）。

2.5 高频电路

高频电路是数控机床电气系统的关键，一般来说，高频电路是采用平面式的形状，多点接地或者是混合接地。设计师应当把握住这个要点，在设计中，灵活利用高频电路。

2.6 浮置方式

在一些小规模的数控机床中，工作地线一般采用浮置方式进行设计，这类机床设备小，电路对金属外壳的分布电容较小；同时，这类设备工作时，可以利用工作速度较低的电路。通过工作接地设计，有效地提升了数控机床电气EMC设计的质量。

3 抗干扰措施

数控机床电气EMC设计中，抗干扰措施涉及的内容比较多，需要设计师从多个方面努力。

3.1 隔离抗干扰

在实际操作中，由于雷电等天气因素或者由于其他机床的马达启动、静电、继电器工作等外界因素，都可能引发数控机床电气系统的故障，因此，设计师应当采用良好的隔离措施，阻碍外界因素的干扰。例如，在数控机床的总机上安装避雷器，就可以隔离外界的雷电干扰；在总机上安装隔离变压器，也可以隔离外界干扰。

3.2 屏蔽抗干扰

利用屏蔽措施，抑制数控机床中电磁波的传导与辐射。例如，内部电路系统可以利用屏蔽电缆，减少电路之间的干扰；模拟信号线应当有一个独立自主的走向，各个信号线之间有屏蔽层，从而减少信号线之间的耦合。

3.3 设备抗干扰

设计师在设计时，应当学会合理利用电抗器、滤波器等设备，做好抗干扰工作。例如，滤波器可以减少开关差模和共模之间的电压干扰，当开关频率的基频和谐波在1 MHz以下时，以差模为主，而在1 MHz以上时，以共模为主。利用滤波器，把滤波器的外壳连接到机床的金属板上，20 MHz波动频率会下降至85 dB，这样可以抑制电磁波。

3.4 灭弧装置抗干扰

在数字机床电气系统中，又很多触点，当触点接通和分断电流时，往往会产生或熄灭电弧，电弧对机床的危害性不言而喻，因此，设计师应当在设计时，配备一定的灭弧装置。常见的灭弧装置有灭弧罩、油冷灭弧装置、气吹灭弧装置、横向金属栅片灭弧、真空灭弧装置等，各种灭弧装置都有自己的优势，设计师应当根据设计需要，自主选择合适的灭弧装置，以解决电弧对机床设备的影响。

4 开关电源设计

数控机床电气系统的一大特点就是开关电源所产生的电磁噪音强，如果不加以控制，将会对整个系统产生极大的干扰。因此，设计师应当采用一定的措施，降低开关电源的电磁噪音。

4.1 合理选择电路

对于电路选择而言，最关键的就是要使 di/dt与dv/dt保持在一个相对较低的水平，这样一方面减少了辐射，另一方面也减轻了开关管的压力，而这些电路包含了零电压开关（ZVS）、零电流开关（ZCS）和单端初级电感转换器（SEPIC）等多个部分的组合。

4.2 合理选择阻尼

阻尼是为了避免开关管因受到寄生参数作用，而产生振荡尖峰电压冲击所设置的，当阻尼连接到有问题的电路上，就会减少发射。对于EMC设计而言，目前比较有效的阻尼器就是RC阻尼器，但是它也有一个缺点，就是容易发热。设计师应当根据实际，权衡各种阻尼器的利弊，谨慎使用阻尼器。

4.3 合理选择散热器

在数控机床电气EMC系统中，散热器与TO247功率器件、集电极的漏极之间，会存在50的电容，因此会产生极强的电磁噪音发射，如果设计师仅仅利用散热片，只会把噪音传输到地底，而不会从根本上减少整体的发射。设计师应当在机床的样机上，多次进行试验，选择合理的散热器和散热器安装方式，找到最佳的散热方法，从而减少电磁噪音的干扰。

4.4 合理选择开关类型

在实际中，设计师应当从全局角度出发，选择合适的开关类型。例如，用于机床的一次电源整流器和二次电源整流器，会产生反向电流，进而引发大的电磁噪音，而比较好的解决方式，就是利用快速软开关。

4.5 合理选择磁性元件

磁性元件是数控机床电气EMC系统中不可或缺的一部分，设计师在实际设计中，应当注重这部分工作。而其中最重要的就是变压器与电感之间的磁路应当是处于闭合状态。例如，在一个磁环中，应当选择环形的磁环或者是无缝闭合的磁环，而如果非要在磁环上开缝时，就需要利用一个封闭的完全短路环来降低寄生泄漏磁场的作用。又比如，设计师还可以利用电容，设计返回路径，减少噪声电流，当初级开关噪音通过一些设备，如隔离变压器的线圈匝之间的电容，会进入到次级，在次级形成新的共模噪音，这种噪音比较难消除，还会产生发射现象，影响设备的使用寿命。而利用次级地上的小电容，把这个小电容连接到初级电源线上，为共模电流创造一条返回路径，就可以很好地减少噪音。同时，这个小电容也可以有助于次级滤波器更好地工作。

4.6 合理选择时钟扩频

时钟扩频技术可以有效地防止噪音发射集中在几个窄带频点上，而把这一技术应用到开关电源中，可以使开关电源的扩频范围大幅增加，减少噪音的干扰。目前，很多生产商都采用了这一技术。

5 结语

数控机床的电磁干扰是一个内容多且复杂的问题，设计师应当根据实际工作中的干扰源，选择合适的抗干扰方式，实现合理抑制干扰，保证了机床的安全高效运转。