浅析数控系统中的屏蔽接地

浅析数控系统中的屏蔽接地

杨万叶刘先黎

杨万叶刘先黎（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005）

摘要：论述了数控系统中使用屏蔽接地技术的诸多要点，屏蔽是抑制干扰的重要方法。而良好的接地则是使数控系统稳定运行、消除干扰的重要措施。

关键词：干扰；屏蔽；接地技术

一台常州CCS-8数控系统机床在加工过程中X轴经常出现失步现象，经检查在手动方式3和手动方式2下可以移动拖板，在手动方式1下步进电机发出响声但拖板没有移动，用手触摸步进电机有明显的振动。这说明步进电机在低频下产生振荡，从而引起失步。

在手动方式1下，通电检查系统：用示波器测量光电隔离板输出到功放板的方波信号，幅度为3.6V属正常。再把步进电机拆除，用数字万用表测量功放板的上相和下相的直流电压，发现上相XA、XB、XC对地电压只有80V（正常为315V左右），大功率管上管采用的是BU932，下管采用的是BUV37。拆下上管BU932测量发现XA、XB、XC都有一管子已击穿，更换新管，在没有接步进电机的情况下通电测量上下相直流电压均315V。接上步进电机试机，失步现象并没有解决，测量新换的管子BU932，又已被击穿。经仔细检查功放板，发现从光电隔离板到功放板的信号线XA、XB、XC屏蔽线与地之间的连接已经断开，把屏蔽线与地焊接好，再换上新管BU932试机，恢复正常，故障排除，经分析应该是信号波形发生畸变或产生振荡导至上管BU932击穿。

CCS-8数控系统电脑板、I/O接口板、电机驱动都集中安装在一起，这样就存在严重的干扰。

下面我们来分析CCS-8数控系统主要存在的几种干扰：

（1）CPU、动态存储器件和其它数字逻辑电路在工作过程中逻辑状态高速变换造成系统电流和电压变化产生的、温度变化时的直流以及供电电源本身产生的干扰。

（2）系统内各部分的地线之间出现电位差或存在接地阻抗引起的接地干扰。

（3）布线不当，信号环路面积太大引起信号波形发生畸变或产生振荡的干扰。

（4）扁平电缆或束捆导线等传输线之间，印制电路板内平行印制导线之间的电磁感应以及高速开关电流通过分布电容等无用信号成分叠加在目的信号上引起的干扰。

干扰源、传播途径和受扰设备是形成干扰的三要素，因而，抑制干扰就应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗干扰能力。

数控系统上的干扰大多数都是电场或磁场形式，电场和磁场干扰主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在数控系统中，由前两种耦合造成的干扰是主要的，第三种是次要的。它们对电路主要造成共模形式的干扰。

造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时，导线之间会产生对地干扰电压VN：

VN=V1

式中，V1和ω是干扰源导线的电压和角频率；R和C2G是被干扰导线的对地负载电阻和总电容；C12是两导线之间的分布电容。通常C12远远小于C2G。

这样在干扰源的角频率ω不变时，要想降低被干扰导线上的被干扰电压VN，应当减小干扰导线的电压V1，减小两导线之间的分布电容C12，减小被干扰导线对地负载电阻R以及增大其对地的总电容C2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路，同时，避免平行走线也可以减小C12。

抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当一个回路对另一个回路造成磁场耦合干扰时，其在被干扰的回路上形成的串联干扰电压VN为：

VN=jωBAcosθ

式中，ω是干扰信号的角频率；B是干扰源回路形成的磁场链接至被干回路的磁通密度；A为被干扰回路感受磁场感应的闭合面积，θ是A和B两个矢量的夹角。可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低干扰电压VN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与干扰回路流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比。

电磁的干扰可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电位。因此，系统中屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。

采用屏蔽接地技术可以有效地抑制干扰，所谓“接地”即电气回路或设备与大地，或与代替大地的导体之间的导电的连接，它可以是有意的连接，也可以是无意的连接。接地可起到期作用：

（1）提供设备与近旁金属物体间的低阻抗连接，以减少人身电击危险。（2）给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器得以动作。（3）给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路。（4）给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧。

接地抗干扰技术的主要内容：（1）是避开地环电流的干扰；（2）是降低公共地线阻抗的耦合干扰。“一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是数控系统中采用的最基本的接地方法。

屏蔽线接地要点：（1）对于低频电路（f<1MHz），导线的屏蔽层最好不要两端接地。因为在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地，单端接地对电场起到主动屏蔽作用，也能起到被动屏蔽作用，但对磁场没有屏蔽作用。

（2）当电缆的长度小于0.15λ（λ=c/f）时则要求无论是单芯或是多芯屏蔽线，在电源和负载电路中，屏蔽层单端接地，一般均在输出端接地，不存在接地环路，效果较好。

（3）对于高频电路（f>1MHz），电缆屏蔽层应双端接地，双端接地能对电场产生屏蔽，对高频磁场也能产生屏蔽作用。

（4）当电缆线长度大于0.15λ时，采用多点接地，屏蔽层按0.05λ或0.1λ的间隔接地，以降低地线阻抗，减少地电位引起的干扰电压。

（5）对于输入信号电缆屏蔽层只能在机壳入口处接地，避免屏蔽层上的外加干扰信号带入设备内部的信号电路上。

（6）对于高输入或高输出阻抗电路，特别是在高静电环境中，可能需要用双层屏蔽的电缆线，内屏蔽层接信号源端的地，外屏蔽层接负载端的地。

结束语

屏蔽线接地关系到数控系统安全稳定运行，所以屏蔽线的接地端与地线的接触必须保证良好，应采用焊接或单独压接端子。

参考文献

[1]孙汉卿.数控机床维修技术[M].北京：高等教育出版社.

[2]刘晓魁.数控机床电控原理与维修[M].长沙：中南大学出版社.