计算机数控系统中的干扰源及抗干扰技术

计算机数控系统中的干扰源及抗干扰技术

来源： 作者： 发表时间：2009-12-07 13:53:03

在超精密数控车削系统设计制造过程中，考虑到系统工作在干扰弥布的车间现场，因而装置的可靠性和抗干扰能力就成为设计的重要指标。数控车床的正常运行证明，本系统由于采用了一系列抗干扰技术，可靠性较高，抗干扰能力较强，对系统的推广应用具有突出贡献。

1 控制干扰源

1.1 抗干扰的优质电源

经验表明由电源引入的干扰是系统干扰的主要来源。抗干扰性能好的优质电源是提高系统可靠性的关键。由于CNC系统是基于PC总线的插卡式结构，计算机控制系统对电网的要求如下： 允许电网电压波动为：+10%～-15%； 允许电网频率波动为：±2%；

允许电网电压动态恢复时间≤5ms(当负载变化在25%～100%时)。

而车间电网波动大，故对整个微机系统供电采用了一个不间断供电电源UPS。机床主轴电机及其他驱动系统的供电不经UPS,直接由车间电网供电，这样避免了机床对其数控系统的电源干扰。 1.2 数控系统本身所产生干扰的抑制

系统的电气部件动作变化会产生瞬变电流噪声，例如交流继电器接通，主轴交流电机通电时，冲击电流可达额定电流的5～10倍，而且其中的高频成分对系统有严重干扰。对此，采用了交流继电器控制主轴电机，而继电器控制部分和工作台驱动部分由变压器降压提供，且给继电器提供了阻容阻尼网络来平滑通断时的突变。

2 硬件抗干扰措施

2.1 接地系统

良好的接地系统是系统可靠工作的基础。

①系统级接地由于CNC系统是集中布置，故宜采用集中一点接地，如图1所示。

图1 系统接地方式

②板卡级接地

运动控制卡是个模拟/数字混合系统，其模拟系统的中心是D/A转换器DAC2813,因此，在DAC2813的模拟地，AGND，附近建立单点模拟地，DAC2813的数字地应与此单点模拟地相连，如图2所示，其它任何数字电路的数字地不应与单点模拟地相连，关键的线要尽量粗，并两边加保护地，VOUT1-VOUT4，，在-VS和DGND间接个10μF的钽电容，尽量靠近芯片，DGND和AGND直接连到DAC2813下的一块敷铜地上。

图2 板卡级接地方式

由于VOUT和VREFOUT的参考点是AGND,所以直接把负载连到AGND脚上很重要，即VOUT1的ACOMD1…VOUT4的ACOM4都直接连到DAC2813的AGND上。 2.2 系统的隔离

数控系统全部进行隔离，提高了电磁兼容性。数字量信号的输入输出全部经过光电隔离板进行隔离，强电及机床开关信号由继电器控制，运动控制卡的伺服控制电压输出在D/A转换前用高速光隔进行了隔离，由于光藕具有抑制高频干扰的作用，解决了传统D/A板在编程时要考虑的问题，控制卡的D/A转换器电源由微机电源经隔离型DC-DC转换后提供。 2.3 祛除分布电容干扰

D/A转换器转换后的四路伺服控制电压信号是±10V之间的模拟电压，为防止干扰及串扰，在它们之间分别加一地线，且在线末端放一个51k的电阻。如图3所示。由于干扰在阻容间放电而消耗，所以祛除了毛刺。

图3 祛除分布电容干扰

此外，差动线接受器的使用和在印制板设计中也采用了一些控制噪声的经验，同样提高了系统的整体抗干扰能力。

3 软件抗干扰措施

3.1 看门狗技术（watch dog）

这是一项软硬结合的抗干扰技术。在运动控制卡中设置有硬件计数器，当系统的硬件和软件都能正常运行时，每隔一定时间，由运动控制卡上DSP程序对计数器复位、再预置数、并重新计数，如果系统的硬件或软件运行异常，使计数器迟迟得不到复位信号，计数器就溢出而会发出信号使DSP程序复位。能及时处理包括电磁干扰在内的各种故障，保证了系统的可靠安全运行。 3.2 软件消除抖动

当机床控制面板上的按键按下后，应产生一个负的矩形脉冲。但是由于按动按键时总会有些抖动，因此在负脉冲的开始和末尾总会有高频毛刺，毛刺的波形和长短与开关的机械特性和操作者有关，一般为5～10ms。为此，使用了软件消抖方法。按键的状态是由软件扫描得到，当扫描周期小于20ms时，一次可扫描8个按键。定义结构： type struct

{unsigned int address；//本端口地址unsignedcharoffset；//位移偏移量，为202122…27对应位0 1 2…7

unsigned char in；//on或off当前扫描结果 unsigned char end；//消抖后的结果 }inputstruct；

每次扫描都把in值放入end中，并当前值放入in中，比较in和end的值，若相等，则承认end的值，否则不承认end,此次为抖动。

当承认end后，若求第n个按钮的状态，只须把offset=2n,则第n个按钮的状态为end&offset。 本方法无须延时，且一次可处理8个按键，处理仅用到了逻辑和，速度快。 3.3 数字滤波

采用了简便的平均值法，即取N个采样值，剔除最大值和最小值后求平均值，由于工业现场存在

大量的尖脉冲干扰，而尖脉冲干扰通常只影响个别数据，故本法可祛除尖脉冲干扰，且同时也消除了随机干扰。

4 结论

由于本系统从设计到制造都考虑了抗干扰技术，经数控车床在本校金工实习中心的试运行，适应工况环境，稳定性、可靠性较高，达到了设计目标。 作者单位：国防科学技术大学 410073 参考文献

1 张松春等，电子控制设备抗干扰技术及其应用，北京，机械工业出版社1995 2 刘振安，微型机应用系统抗干扰技术，北京，人民邮电出版社，1991