數(shù)控機(jī)床電源的常見故障及抗干擾措施
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發(fā)表時間：2020-07-10 16:19:07
由于我國工業(yè)用電電網(wǎng)電壓波動較大，由此造成數(shù)控系統(tǒng)電源部分故障頻率較高，修理時應(yīng)足夠地重視起來。電源是電路板的能源供應(yīng)部分，電源不正常，電路板的工作必然異常。
一、開關(guān)電源常見的故障
1、熔絲熔斷
如果燒斷時保險管發(fā)黑有斑點(diǎn)，說明線路有嚴(yán)重短路，它是由于高壓濾波電容擊穿，整流管擊穿等明顯故障原因引起。如果保險管不黑，屬慢慢熔斷，可進(jìn)行靜態(tài)測量。一般是半橋中的一個開關(guān)管擊穿或不良。
2、熔絲不斷，輸出無電壓
這種情況先檢查有無300V直流電壓。如果沒有，故障發(fā)生在逆變之前;如果有300V高壓而無輸出，這時可用示波器檢查開關(guān)管集電極有無20kHz波形。如果開關(guān)管被擊穿或沒有振起。高頻變壓器開路均可造成逆變停止。另外，逆變電器正常但被后級的過流或過壓電路動作而保護(hù)，使輸出無電壓。如果12V檔主輸出電源輸出空載，就會引起過保護(hù)而使輸出無電壓。
3、電源輸出電壓不準(zhǔn)
一般情況下，數(shù)控系統(tǒng)各檔穩(wěn)壓直流電壓的允許電壓范圍為額定值的±5%之內(nèi)，如果超此范圍，可調(diào)整電壓調(diào)節(jié)電位器。將主輸出電壓檔調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)值。如果不能調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)值，可能是電位器壞了或穩(wěn)壓管壞了。如果只有某一檔電壓偏離較大，則很可能是該檔整流二極管損壞，要盡可能調(diào)換同型號的二極管。有時開關(guān)電源的負(fù)載能力差，也會使輸出電壓降低過大，這可能因參數(shù)變化使電路工作點(diǎn)偏離線性區(qū)域，如放大環(huán)節(jié)增益降低，檢測電路處于非線性狀態(tài)等。
4、開關(guān)電源發(fā)出重復(fù)地特殊響聲
這通常是工作頻率過低所造成，可用示波器檢測脈沖寬度調(diào)制器，正常工作時將近20kHz左右。如定時回路電容器容量變大，也會引起振蕩頻率過低，使電源產(chǎn)生特殊的重復(fù)的響聲。使開關(guān)電源不能正常工作。更換合適的電容即可恢復(fù)其正常工作。
二、數(shù)控機(jī)床抗干擾途徑
1、采用抗干擾的優(yōu)質(zhì)電源
經(jīng)驗(yàn)表明由電源引入的干擾是系統(tǒng)干擾的主要來源，抗干擾性能好的優(yōu)質(zhì)電源是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。
2、阻斷噪聲干擾傳遞路徑
數(shù)控系統(tǒng)使用現(xiàn)場的電磁環(huán)境一般較為惡劣，特別是附近大型電氣設(shè)備起動及停止時會在公用交流電網(wǎng)和控制回路上產(chǎn)生高頻瞬變噪聲。這些噪聲會通過數(shù)控系統(tǒng)的輸入電源竄入系統(tǒng)內(nèi)部，因此必須采取濾波、隔離、屏蔽和保護(hù)等措施將噪聲阻斷在系統(tǒng)外部。
?。?）使用電源濾波器抑制輸入電源噪聲
電源濾波器是抑制電源干擾的有力措施，目前市場上有各種型號規(guī)格的濾波器可供選擇。從抗干擾的角度出發(fā)，應(yīng)驗(yàn)證其插入衰減量是否達(dá)到要求。另外，濾波器對噪聲的實(shí)際抑制效果還取決于使用方法，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：
濾波器要盡量靠近電源輸入插座安裝，進(jìn)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(yīng)越小越好，最好直接安裝在系統(tǒng)機(jī)殼上離系統(tǒng)接地端子最近的位置，這樣能更好的抑制高頻共模噪聲。
數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的伺服電動機(jī)驅(qū)動器、外圍接口電路和計算機(jī)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。
?。?）采用變比為11的隔離變壓器進(jìn)行隔離
隔離變壓器是在它的初級繞組和次級繞組之間加了一層屏蔽層，并將它和鐵芯一起接地，防止干擾信號通過初次級之間的電路進(jìn)人直流供電系統(tǒng)。它能有效地抑制由電網(wǎng)侵入的瞬態(tài)強(qiáng)脈沖干擾，使得直流或低頻干擾信號不容易通過傳導(dǎo)的方式形成感應(yīng)噪聲。
?。?）將電源裝在金屬屏蔽盒內(nèi)，并與系統(tǒng)內(nèi)其它部分盡量隔開安裝，可減少噪聲在系統(tǒng)內(nèi)部的輻射干擾。
?。?）建立掉電保護(hù)功能
工業(yè)電網(wǎng)的供電不穩(wěn)定或者系統(tǒng)電源的偶然故障，突然掉電的事故是難免的。這就要求系統(tǒng)在發(fā)生掉電時保護(hù)好現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，待電壓恢復(fù)正常時，便可從掉電處繼續(xù)執(zhí)行程序。系統(tǒng)的掉電保護(hù)方案可用帶掉電保護(hù)的RAM(如FLASH)或可讀寫EEPROM等來保存系統(tǒng)掉電時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及標(biāo)志字。
3、抑制電源工作產(chǎn)生的噪音
?。?）抑制直流穩(wěn)壓電源噪聲
一部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的電源(+5V)是由三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的。電路中有TTL器件時，其開關(guān)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(chǎn)生開關(guān)噪聲。使電路的噪聲容限降低，導(dǎo)致邏輯電路和微處理器誤動作。減小開關(guān)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0.01～0.1μF的限噪鉭電容或高頻無感濾波電容，在設(shè)計電路板時應(yīng)將此電容安裝在該集成電路的電源輸入側(cè)并盡量縮短電容的配線。
?。?）抑制開關(guān)電源的噪聲
目前，開關(guān)電源在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛使用。但是開關(guān)電源的噪聲大、噪聲頻譜寬及高頻輻射干擾嚴(yán)重。這些固有的缺點(diǎn)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(guān)級晶體管與電源屏蔽殼之間的耦合電容，以減少噪聲的產(chǎn)生;
用電感線圈將開關(guān)電源機(jī)殼與數(shù)控系統(tǒng)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串模噪聲的產(chǎn)生，并且對外部電源噪聲也同樣有效。
開關(guān)電源有多個負(fù)載時，應(yīng)采取將各負(fù)載電路在電源處就分開的布線方法，而不采用在離開開關(guān)電源一段距離后再接負(fù)載的方法。按后者布線時，分布電容使各負(fù)載的線路不平衡，導(dǎo)致形成較大的串模噪聲。另外，電源外殼與負(fù)載電路一點(diǎn)接地并且接地阻抗要盡可能小。開關(guān)電源到各個負(fù)載電路采用雙絞線相連;
開關(guān)電源需要同時給大功率負(fù)載與小信號負(fù)載供電，盡管它們的電壓一致，也要分別用兩組獨(dú)立的開關(guān)電源來供電，這兩組電源的地線要有公共連接點(diǎn)，這樣不會形成公共阻抗，防止兩路負(fù)載之間相互影響。
4、合理接地與布線
系統(tǒng)中直流電源的工作地應(yīng)與系統(tǒng)中繼電器、電磁閥及其驅(qū)動電源所構(gòu)成的功率地分開，兩者不可混接。另外、接地電纜應(yīng)足夠粗，并且電阻要小。布電源線時，應(yīng)使強(qiáng)電和弱電分開，輸入線與輸出線分開。要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導(dǎo)線的寬度，使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?。采取以上方法對?shù)控系統(tǒng)電源部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，有效地消除了干擾的影響，增加了整個數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。
一、開關(guān)電源常見的故障
1、熔絲熔斷
如果燒斷時保險管發(fā)黑有斑點(diǎn)，說明線路有嚴(yán)重短路，它是由于高壓濾波電容擊穿，整流管擊穿等明顯故障原因引起。如果保險管不黑，屬慢慢熔斷，可進(jìn)行靜態(tài)測量。一般是半橋中的一個開關(guān)管擊穿或不良。
2、熔絲不斷，輸出無電壓
這種情況先檢查有無300V直流電壓。如果沒有，故障發(fā)生在逆變之前;如果有300V高壓而無輸出，這時可用示波器檢查開關(guān)管集電極有無20kHz波形。如果開關(guān)管被擊穿或沒有振起。高頻變壓器開路均可造成逆變停止。另外，逆變電器正常但被后級的過流或過壓電路動作而保護(hù)，使輸出無電壓。如果12V檔主輸出電源輸出空載，就會引起過保護(hù)而使輸出無電壓。
3、電源輸出電壓不準(zhǔn)
一般情況下，數(shù)控系統(tǒng)各檔穩(wěn)壓直流電壓的允許電壓范圍為額定值的±5%之內(nèi)，如果超此范圍，可調(diào)整電壓調(diào)節(jié)電位器。將主輸出電壓檔調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)值。如果不能調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)值，可能是電位器壞了或穩(wěn)壓管壞了。如果只有某一檔電壓偏離較大，則很可能是該檔整流二極管損壞，要盡可能調(diào)換同型號的二極管。有時開關(guān)電源的負(fù)載能力差，也會使輸出電壓降低過大，這可能因參數(shù)變化使電路工作點(diǎn)偏離線性區(qū)域，如放大環(huán)節(jié)增益降低，檢測電路處于非線性狀態(tài)等。
4、開關(guān)電源發(fā)出重復(fù)地特殊響聲
這通常是工作頻率過低所造成，可用示波器檢測脈沖寬度調(diào)制器，正常工作時將近20kHz左右。如定時回路電容器容量變大，也會引起振蕩頻率過低，使電源產(chǎn)生特殊的重復(fù)的響聲。使開關(guān)電源不能正常工作。更換合適的電容即可恢復(fù)其正常工作。
二、數(shù)控機(jī)床抗干擾途徑
1、采用抗干擾的優(yōu)質(zhì)電源
經(jīng)驗(yàn)表明由電源引入的干擾是系統(tǒng)干擾的主要來源，抗干擾性能好的優(yōu)質(zhì)電源是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。
2、阻斷噪聲干擾傳遞路徑
數(shù)控系統(tǒng)使用現(xiàn)場的電磁環(huán)境一般較為惡劣，特別是附近大型電氣設(shè)備起動及停止時會在公用交流電網(wǎng)和控制回路上產(chǎn)生高頻瞬變噪聲。這些噪聲會通過數(shù)控系統(tǒng)的輸入電源竄入系統(tǒng)內(nèi)部，因此必須采取濾波、隔離、屏蔽和保護(hù)等措施將噪聲阻斷在系統(tǒng)外部。
?。?）使用電源濾波器抑制輸入電源噪聲
電源濾波器是抑制電源干擾的有力措施，目前市場上有各種型號規(guī)格的濾波器可供選擇。從抗干擾的角度出發(fā)，應(yīng)驗(yàn)證其插入衰減量是否達(dá)到要求。另外，濾波器對噪聲的實(shí)際抑制效果還取決于使用方法，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：
濾波器要盡量靠近電源輸入插座安裝，進(jìn)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(yīng)越小越好，最好直接安裝在系統(tǒng)機(jī)殼上離系統(tǒng)接地端子最近的位置，這樣能更好的抑制高頻共模噪聲。
數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的伺服電動機(jī)驅(qū)動器、外圍接口電路和計算機(jī)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。
?。?）采用變比為11的隔離變壓器進(jìn)行隔離
隔離變壓器是在它的初級繞組和次級繞組之間加了一層屏蔽層，并將它和鐵芯一起接地，防止干擾信號通過初次級之間的電路進(jìn)人直流供電系統(tǒng)。它能有效地抑制由電網(wǎng)侵入的瞬態(tài)強(qiáng)脈沖干擾，使得直流或低頻干擾信號不容易通過傳導(dǎo)的方式形成感應(yīng)噪聲。
?。?）將電源裝在金屬屏蔽盒內(nèi)，并與系統(tǒng)內(nèi)其它部分盡量隔開安裝，可減少噪聲在系統(tǒng)內(nèi)部的輻射干擾。
?。?）建立掉電保護(hù)功能
工業(yè)電網(wǎng)的供電不穩(wěn)定或者系統(tǒng)電源的偶然故障，突然掉電的事故是難免的。這就要求系統(tǒng)在發(fā)生掉電時保護(hù)好現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，待電壓恢復(fù)正常時，便可從掉電處繼續(xù)執(zhí)行程序。系統(tǒng)的掉電保護(hù)方案可用帶掉電保護(hù)的RAM(如FLASH)或可讀寫EEPROM等來保存系統(tǒng)掉電時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及標(biāo)志字。
3、抑制電源工作產(chǎn)生的噪音
?。?）抑制直流穩(wěn)壓電源噪聲
一部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的電源(+5V)是由三端集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的。電路中有TTL器件時，其開關(guān)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(chǎn)生開關(guān)噪聲。使電路的噪聲容限降低，導(dǎo)致邏輯電路和微處理器誤動作。減小開關(guān)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0.01～0.1μF的限噪鉭電容或高頻無感濾波電容，在設(shè)計電路板時應(yīng)將此電容安裝在該集成電路的電源輸入側(cè)并盡量縮短電容的配線。
?。?）抑制開關(guān)電源的噪聲
目前，開關(guān)電源在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛使用。但是開關(guān)電源的噪聲大、噪聲頻譜寬及高頻輻射干擾嚴(yán)重。這些固有的缺點(diǎn)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(guān)級晶體管與電源屏蔽殼之間的耦合電容，以減少噪聲的產(chǎn)生;
用電感線圈將開關(guān)電源機(jī)殼與數(shù)控系統(tǒng)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串模噪聲的產(chǎn)生，并且對外部電源噪聲也同樣有效。
開關(guān)電源有多個負(fù)載時，應(yīng)采取將各負(fù)載電路在電源處就分開的布線方法，而不采用在離開開關(guān)電源一段距離后再接負(fù)載的方法。按后者布線時，分布電容使各負(fù)載的線路不平衡，導(dǎo)致形成較大的串模噪聲。另外，電源外殼與負(fù)載電路一點(diǎn)接地并且接地阻抗要盡可能小。開關(guān)電源到各個負(fù)載電路采用雙絞線相連;
開關(guān)電源需要同時給大功率負(fù)載與小信號負(fù)載供電，盡管它們的電壓一致，也要分別用兩組獨(dú)立的開關(guān)電源來供電，這兩組電源的地線要有公共連接點(diǎn)，這樣不會形成公共阻抗，防止兩路負(fù)載之間相互影響。
4、合理接地與布線
系統(tǒng)中直流電源的工作地應(yīng)與系統(tǒng)中繼電器、電磁閥及其驅(qū)動電源所構(gòu)成的功率地分開，兩者不可混接。另外、接地電纜應(yīng)足夠粗，并且電阻要小。布電源線時，應(yīng)使強(qiáng)電和弱電分開，輸入線與輸出線分開。要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導(dǎo)線的寬度，使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?。采取以上方法對?shù)控系統(tǒng)電源部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，有效地消除了干擾的影響，增加了整個數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。
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