数控机床电气隔离技术

数控机床是集计算机控制系统、电气控制和数控控制系统于一身的机电一体化设备，广泛应用于机械加工领域。电气控制部分多数处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。很容易被周围干扰源干扰而引起控制系统产生误动作。为了让控制系统稳定工作，在系统设计与安装时应采取一定的抗干扰措施电气隔离技术就是较好的抗干扰技术之一，能从电路上把干扰信号和被干扰的部分隔离开来，达到隔离现场干扰的目的。通过电路把传递干扰的路径切断，以抑制干扰信号。通过采用电气隔离技术，大多数电路都能够很好地抑制噪声干扰，使设备符合电磁兼容性的要求。
　　通过对数控机床电气控制系统工作原理以及对数控机床常见干扰的分析，为了降低数控机床电气控制系统被干扰程度，提高数控机床控制系统的可靠性，必须优先考虑硬件电气隔离措施，例如各种控制信号的隔离，电源系统的隔离等。电气隔离就是切断干扰通道，使测控装置与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。脉冲变压器隔离、光电隔离、继电器隔离和布线隔离等是工控装置与现场信号之间常用的隔离技术。
　　1.光电耦合隔离技术
　　光电隔离电路是以光为媒体传送信号，对输入和输出电路进行隔离。因而能有效地抑制干扰信号，消除接地回路的干扰，并且响应速度快、寿命长、体积小、耐冲击等特点，常用在强-弱电接口电路中，计算机控制系统的前向和后向通道中也经常采用。
　　光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，输入和输出在电气是完全隔离的。由于光电耦合器的输入阻抗（100Ω～1kΩ）与一般干扰源的阻抗（105～106Ω）相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。
　　光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来。开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。
　　在数控机床plc控制系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较远的设备之间传输信号的电缆，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，形成差模干扰电压。为增强传输的可靠性，可采用光电耦合技术进行隔离，将两个电路的电气连接隔开，使他们相互独立，切断可能形成的环路，提高电路的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来。
　　2.脉冲变压器隔离技术
　　脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁心的两侧，这种工艺使得它的分布电容很小，仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，PLC使用的数字量信号输入/输出的控制设备不要求传递直流分量，因而在数控系统中得到了广泛的应用。
　　3.继电器隔离技术
　　继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接收信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。
　　4.配线系统隔离
　　将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。配线间隔越大，配线越短，则噪声影响越小。但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离便可。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。
　　5.供电系统的电气隔离
　　大多数强干扰是通过供电系统进入数控机床电气控制系统的，为此要对电源进行滤波、隔离和稳压处理。在使用380V电网电压的条件下，可在输入端加电源滤波器；若采用线性稳压器，除了通过电源变压器的隔离外，通常还要在三端稳压器的基础上增加由磁环和高频电容组成的π型滤波；必要时也可在控制系统的电源引脚加瞬态电压抑制器，以减小电源噪声的干扰。
　　电源变压器是数控机床供电系统的主要元件，为了抑制电网中的干扰，一般选用隔离变压器，且变压器容量应比实际需要要大1.2～1.5 倍左右。在使用中应要求变压器的屏蔽层良好接地，次级线圈连接线要使用双绞线，以减少电源线间干扰。对于数控机床的PLC的控制器电源，如果条件许可，还可在隔离变压器前加入滤波器，此时变压器的初级和次级连接线均需使用双绞线。
　　6.交流电源隔离技术应用
　　由于交流电网中存在着大量的谐波、高频干扰等，所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制措施。采用电源隔离变压器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用，这是因为，即使一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作用。然而，由于分布电容（绕组与铁心之间、绕组之间、层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的抗干扰性。
　　7.结束语
　　在开发数控模切烫金机、数控车（铣）床以及其它数控产品时，在电气控制方面均根据不同电气控制部分采用了相应的电气隔离措施。通过验证，绝大多数电路都能够取得良好的抑制干扰的效果，使设备符合电磁兼容性的要求。同时在产品的研制实践中，还要对电子电气设备的内部干扰及外部干扰进行全面的分析，结合“接地问题”，“屏蔽问题”，选择合理的隔离方式及其恰当的隔离部位，进行统一配置，才能设计出满足电磁兼容性要求的合格产品。当然，除了采用硬件抗干扰措施外，还可结合软件抗干扰技术，如指令冗余法、软件陷阱法等，进一步提高数控系统电气控制的抗干扰性能。