0 引言
数控机床所使用的各种类型数控系统，无论其结构如何，是安装在电气控制柜中，还是安装在数控机床的操纵台上，它们都处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高数控系统的可靠性，一方面要求数控系统生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求在数控机床电气设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善系统的抗干扰性能。
1 干扰对数控系统的影响
影响数控系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰，以及系统结构设计、元器件安装和外部电磁环境条件等。这些因素对数控系统造成的干扰后果主要表现在以下几个方面：
(1)测量数据误差
干扰侵入数控系统测量单元的输入通道，叠加在测量信号上，会使测量数据出现采集误差。主要表现在各个坐标轴和主轴速度或位置反馈数据的错误。
(2)影响数控系统内部存储设备
在数控系统中，系统程序、系统数据等都分别存在程序存储器EPROM或FLASH中，从而可以避免了这些数据受干扰破坏。但是，零件加工程序、机床数据、刀具数据以及PMC程序等，都是存储在片内RAM中，这些数据极有可能受到外界干扰而发生变化。
(3)控制失灵
数控输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控制误差加大，甚至控制失灵。
(4)程序运行失常
外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。若外界干扰导致数控程序计数器PC值的改变，则破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的PC值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或死机。
2 抗电磁干扰的措施
电磁干扰的途径大致有以下各种。通过数控系统电源的干扰、通过数控系统接口的干扰、来自空间的辐射干扰、来自不良接地系统的干扰和来自数控系统内部的干扰。我们总结得出，电磁干扰的机理主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在抗干扰的实践中我们发现，主要干扰是由电容耦合和电感耦合造成的，电磁场辐射的干扰相对较小，主要的措施就是屏蔽和高压泄放元件的保护。下面我们主要分析前两种耦合造成的干扰和所采取的措施。
2.1 接地抗干扰措施
大地是一个静电容量很大的导体，具有恒定的电位。如果用一个导体与其可靠连接的话，那么该导体的电位也是恒定的，我们把该电位叫做零电位，它是电位的参考点。然而，512程实践中总是存在一定的接地电阻，这样不同的接地点之间就会存在电位差。当我们用一根导线连接不同的接地点时，在导线中就可能有电流流动，这称为地环电流。这实际上就是干扰源之一。图1等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电位差形成的干扰源Eg，它对电路主要造成共模形式的干扰。
图1接地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图
然而，由电磁干扰源Ecm和Eg形成的共模电压，其中一部分会转换成差模电压，直接对电路造成干扰。假设信号源Es=0，即只考虑干扰源Ecm和Eg的作用时。因为i，回路和i2回路阻抗不相等，因此，回路电流i1和i2也不相等。于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压。
接地抗干扰技术主要是避开地环电流的干扰和降低公共地线阻抗的耦合干扰。接地方式可以是集中接地或多点接地，集中接地可以有效地避开了地环电流。在集中接地方式下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施，它是工业控制系统采用的最基本的接地方法。以下就是集中接地的两种形式的分析。
在图2 a所示意的串联接地方式中，电路1、2、3各有一个电流i1、i2、i3流向接地点。由于地线存在电阻，因此，A、B、C点的电位不再是零，于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗，使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是，最怕干扰的电路的地接A点，而最不怕干扰的电路的地应当接c点。应当按照图2 b所示意的并联接地方式使用。并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题，工程实践中应尽量采用并联接地方式。但是，虽然采用了并联接地方式，但是地线截面积仍然要满足要求，以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。这样，当各个部件之间有信号传送时，才可以减小地线环流的干扰。
图2电路部件的一点接地
然而，工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮。但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50 MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于4Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。数控系统设计安装的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及数控系统的安全，这一点一定要注意。
2.2 电场耦合的抑制
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(如图3)，导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为：
图3两导线电场干扰示意图
从式(2)可以看出，在干扰源的角频率w不变时，要想降低导线2上的被干扰电压，应当减小导线1的电压V1，减小两导线之间的分布电容C12，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2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。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C12。
克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好采用单端接地。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。
图4屏蔽抑制电场干扰示意图
2.3 磁场耦合的抑制
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。
如图5所示，当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2上形成的串联干扰电压“为：
式中，w是干扰信号的角频率；L1是回路1的电感；LM12是它们之间的互感。LM12的大小与干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度和回路2感受磁场感应的闭合面积有关。在干扰源的角频率w不变时，要想降低干扰电压VN，就是要降低它们的互感，也就是要减少其磁通密度和闭合面积的大小。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。当然，屏蔽技术也是抑制磁场耦合干扰的有效措施。
2.4 屏蔽线的使用
正如2.2介绍的那样，屏蔽可以对电场耦合的干扰具有很好的防护。同样，屏蔽对磁场耦合干扰也具有良好的防护作用。
图6示出了屏蔽线使用的三种情况。图6a是单端接地方式。假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻RL之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图6b是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力也比图6a差。图6a和6b都有屏蔽电场耦合干扰作用。图6c的屏蔽层悬浮，因此，它只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。
图6屏蔽线的用法
2.5 双绞线的使用
双绞线的绞扭节距把图5所示的回路分隔成许多的小回路，如果双绞线的绞扭一致的话，那么这些小回路的磁场面积相等而法方向相反，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰没有抑制能力。当给双绞线加上屏蔽层后，既解决了磁场的干扰，也解决了电场的干扰。图7示出了双绞线使用以及与屏蔽层共同使用的示意图。
图7双绞线和屏蔽层的使用
双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又具有很强的抗共模干扰能力，因此数控系统中的模拟量命令和编码器反馈电缆都强调使用这种方式。当传输信号的频率大到一定时(W>R屏蔽／L屏蔽)，为了减少感受磁场感应的闭合面积，可以采用屏蔽两端接地的方式。
3 结束语
工业现场的干扰来源是多渠道的，针对不同的项目和不同的现场，应该有不同的处理方法。数控系统应用中的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对某些干扰情况还需做具体分析具体对待，只有正确和合理的使用屏蔽和接地技术，才能够使其可靠的运行。
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本文标题：数控系统应用的抗干扰技术
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