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經濟型車床數控系統的抗干擾設計

  噪聲傳輸路徑及受擾設備3方面入手,提出了提高經濟型車床數控系統抗干擾能力的一些方法,即抑制噪聲源、阻斷噪聲傳輸路徑、提高數控系統核心部分一一計算機的抗干擾能力。實踐證明,根據具體情況靈活使用這些方法能有效提高經濟型車床數控系統的抗干擾能力:經濟型車床;數控系統;電磁噪聲;抗干擾0引言經濟型車床數控系統1的使用環境較為惡劣,來自數控系統內部外部的電磁噪聲常常干擾數控系統的正常運行,甚至造成惡性事故,并且要經過多次反復,付出很大代價才能排除干擾因此,數控系統的抗干擾設計尤顯重要。

  一般情況下,形成電磁干擾有3個條件p:向外發送噪聲的噪聲源;傳輸電磁噪聲的路徑;承受電磁干擾的受擾設備。為了保證數控系統在使用電磁環境中免受干擾,必須從設計階段就采取相應措施:抑制噪聲源,直接消除干擾原因;阻斷噪聲的傳送路徑;提高數控系統核心部分一一計算機的抗干擾能力。

  1抑制噪聲源干擾數控系統的噪聲可分為外部噪聲和內部噪聲。對于外部噪聲,不可能將它直接消除,只有盡量避開它,而對于內部噪聲則應盡量消除下面討論消除內部及外部噪聲的一些措施1.1消除切換感性負載時產生的瞬變噪聲切換繼電器、接觸器及電機等感性負載時會產生很高的浪涌電壓,峰值可高達幾千伏,其脈沖功率足以損壞半導體器件。并且該涌浪電壓所含有的高次諧波將通過電源線、導線間的分布電容及絕緣電阻等侵入數控系統,干擾微型計算機的正常運行。這種瞬變噪聲可用并聯二極管或接入RC吸收回路等方法加以抑制如在控制機床主電機和電動刀架電機的直流繼電器線圈上并聯二極管,在接觸器線圈及電機繞組上并聯RC吸收回路,實踐證明這種方法的抑制效果非常明顯另外,還可采用晶閘管過零開關代替交流接觸器,這樣可較為徹底地消除瞬變噪聲1.2消除直流電源噪聲大部分經濟型車床數控系統計算機的電源(+ 5V)是由三端集成穩壓器構成的,電路簡單可靠但是對從外部交流電網竄入的電源噪聲的抑制能力很弱,可采用所示的多級濾波電路加強濾波。中電容C2C4C6和電感Li用來抑制常模噪聲。

  電路中有TTL器件時,其開關動作時間為5- 10ns,在瞬變電流和公共阻抗的作用下,直流電源線上產生開關噪聲,使電路的噪聲容限降低,導致邏輯電路和微處理器誤動作減小開關噪聲的有效方法是在每個集成電路的電源端與接地端之間接入一個0. 01~0.1F的限噪鉭電容或高頻無感濾波電容,在設計電路板時應將此電容安裝在該集成電路的電源輸入側,并盡量縮短電容的配線1.3消除開關電源的噪聲目前,開關電源在數控系統中得到廣泛使用,但是開關電源的噪聲大、噪聲頻譜寬及高頻輻射干擾嚴重,這些固有的缺點不能從根本上予以消除,只能使用隔離、濾波和屏蔽等措施來阻斷噪聲的傳輸,具體方法如下:減小開關級晶體管與電源屏蔽殼之間的耦合電容,以減少噪聲的產生用電感線圈將開關電源機殼與數控系統外殼相連,以減小共模噪聲。

  在交流電源輸入端接入線路濾波器,不但能抑制共模噪聲和常模噪聲的產生,并且對外部電源噪聲也同樣有效,線路濾波器的電路如所示。其中共模扼流圈。和電容C2C3用以抑制共模噪聲,電感L2和電容G用以抑制常模噪聲。

  在輸出端加接共模扼流圈,用以抑制共模噪聲,其電路如所示。中電容G應選用鉭電容或高頻無感電容,用以抑制常模噪聲。

  將開關電源裝在金屬屏蔽盒內,并與系統內其它部分盡量隔開安裝,可減少噪聲在系統內部的輻射干擾2阻斷噪聲傳送路徑數控系統使用現場的電磁環境一般較為惡劣,特別是附近大型電氣設備啟動及停止時會在公用交流電網和控制回路上產生高頻瞬變噪聲。這些噪聲主要通過數控系統的輸入電源、輸入信號線和輸出控制線路竄入系統內部,因此必須采取濾波、隔離和屏蔽等措施將噪聲阻斷在系統外部對于系統內部的一些無法消除的噪聲也應采取濾波、隔離和屏蔽等措施進行處理21使用電源濾波器抑制輸入電源噪聲中共模扼流圈LiL2電容C3G對共模噪聲進行衰減,電容CiC2G對常模噪聲進行衰減另外,濾波器對噪聲的實際抑制效果還取決于使用方法,應注意以下3點:濾波器要盡量靠近電源輸入插座安裝,進線和出線使用雙絞線并靠近地電位布線,二者一定要分開走線,不能平行走線,更不能捆扎在一起濾波器的接地電阻應越小越好,*好直接安裝在系統機殼上離系統接地端子*近的位置,這樣能更好的抑制高頻共模噪聲。

  數控系統內部的步進電機驅動器外圍接口電路和計算機電路的電源可分別用3個濾波器供電,這樣不僅能抑制外部電源干擾,還能抑制各部分之間的相互干擾22使用屏蔽變壓器抑制輸入電源噪聲經濟型數控系統的內部電路大多需要由變壓器供電,普通的變壓器由于初級與次級之間的耦合電容較大,對共模噪聲的抑制作用較弱,而初級與次級之間插入屏蔽層的屏蔽變壓器則對共模噪聲有較強的抑制作用,其原理如所示中是初級共模噪聲電壓,C2是初級、次級與屏蔽層間的分布電容,C3是次級對地電容,屏蔽層接地阻抗為Z,這樣耦合到次級的共模噪聲電壓V2為一般情況下Z很小,所以V2較V,大為減小,但隨著頻率的升高,G的阻抗減小,Z增大,抑制噪聲的能力降低,所以屏蔽層的接地線應短而粗。但是,由所示的單層屏蔽變壓器對常模噪聲的抑制能力較弱,可增加屏蔽繞組并與初級一端相連,通過初級線圈與屏蔽繞組間的分布電容來濾除常模噪聲。

  23輸入輸出線路的隔離輸入、輸出線路也可能將噪聲帶入系統如控制電動刀架的輸入輸出信號線就是刀架電機浪涌噪聲進入系統的通道開關量的輸入、輸出接口電路如所示其中光電耦合器對共模噪聲有很好的抑制效果,G則可抑制常模噪聲。

  在車床實際加工中,為保證車螺紋時不亂牙,主軸每轉一圈,主軸編碼器必須輸出相同數目的脈沖送給系統然而當系統外接交流變頻器或其它強干擾源時,編碼器的輸出脈沖將被嚴重干擾,甚至被“吃掉”所以編碼器脈沖的輸入接口應使用差動比較接收器來常抑制模噪聲,并且還要用高速光電耦合器進行隔離,以便抑制共模噪聲,電路如所示。

  機殼上應設置專門的接地端子,電源濾波器、屏蔽變壓器、計算機屏蔽罩等要分別使用短而粗的導線與接地端子直接相連,接地電阻越小對高頻噪聲的抑制能力越強3提高計算機的抗干擾能力數控系統中計算機本身的抗干擾能力是由計算機的電路設計和軟件設計共同決定的合理采用一些軟硬件措施,降低計算機的噪聲敏感度,一旦干擾發生時,計算機能自動進行相應的處理,盡量減小干擾造成的影響。

  3.1優化電路設計經濟型數控系統大多采用MCS- 51系列單片機,并擴展一些外圍接口電路來實現,從抗干擾及節電的角度出發應盡量選用CMOS系列的芯片,如80C3180C3227C51282C55等。

  單片機和8255的輸入口應加上拉電阻,特別是中斷入口應加入積分和整形電路,輸出口加電流驅動器,以增強輸入、輸出口的抗干擾能力。單片機的擴展芯片過多時應加總線驅動器盡量選用大規模集成電路,減少使用元器件的數目,縮小印制電路板的面積設計電路板時應合理布局,盡量不要將單片機與其擴展芯片放在不同的印制電路板上,盡量加寬電源和接地布線,合理使用旁路電容,減小公共阻抗噪聲和開關噪聲3.2軟件抗干擾措施抗干擾也是軟件設計的重要任務,只要計算機能正常運行,軟件抗干擾措施將會收到很好的效果。

  如對輸入信號進行多次采樣,當多次采樣結果相同時,認為輸入有效;對輸出信號進行多次掃描;在RAM區中設置標志和加工程序的備份,發現標志被破壞后利用備份程序恢復加工程序1王文熙。機床數字調節技術M.北京:中國科學技術出版社,1992189-20ft 3徐家政。電網干擾和監測。電子測量技術,1992(4):23-27.(責任編輯張秋娟)24數控系統各部分之間相互干擾的抑制經濟型車床數控系統一般可分為計算機驅動器、接口和電源等4部分2在空間上應將它們盡量分開,以減少相互間的干擾特別是計算機部分應單獨安裝在全封閉的屏蔽罩內,減少輻射干擾,接口電路應盡量靠近系統輸入輸出插座安裝,以減少外部噪聲線在系統內部的走線距離。

  抑幫遵-外外殼接地不良造成的共模干擾和系統內部電路間的相互干擾rightsreserved,http://www.cnki.net 1994-2(蔣建男安寧國人!al 2驅動器接口電路與計算機間的連接線應該采用雙絞線或屏蔽線并與電源線、電機線和其它噪聲線分開走線計算機驅動器和接口應由不同的電源濾波器屏蔽變壓器供電計算機送往驅動器的控制信號也應經光電耦合器隔離25優化接地設計正確的接地能更好的抑制噪聲的傳輸。對于小型數控系統其內部電路應采用浮地方式,即計算機、驅動器和外部接口這3者的接地相互隔離并且與機殼絕緣,其絕緣電阻越大越好,這種接地方式有利于

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