第7章抗干擾技術(shù)應(yīng)用

1、第7章抗干擾技術(shù)應(yīng)用7.1 產(chǎn)生干擾的因素 干擾的定義干擾是指對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等等。 電磁干擾是指在工作過(guò)程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無(wú)關(guān)的，并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。 7.1.2 形成干擾的三個(gè)要素1.干擾源產(chǎn)生干擾信號(hào)的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無(wú)繩 和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁信 2.傳播途徑傳播途徑是指干擾信號(hào)的傳播路徑。 3.接收載體接收載體是指受影響的設(shè)備的某個(gè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)吸收了干擾信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)造成

2、影響的電器參數(shù)。 7.1.3 電磁干擾的種類 按干擾的耦合模式分類，電磁干擾分為以下五種類型。1.靜電干擾2.磁場(chǎng)耦合干擾磁場(chǎng)耦合干擾是指大電流周圍磁場(chǎng)對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備回路耦合形成的干擾。3.漏電耦合干擾 漏電耦合干擾是因絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾，多發(fā)生于工作條件比較惡劣的環(huán)境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。 4.共阻抗干擾共阻抗干擾是指電路各部分公共導(dǎo)線阻抗、地阻抗和電源內(nèi)阻壓降相互耦合形成的干擾,這是機(jī)電一體化系統(tǒng)普遍存在的一種干擾。如圖7-1所示的串聯(lián)接地方式，由于接地電阻的存在，三個(gè)電路的接地電位明顯不同。 5.電磁輻射干擾由各種大功率高頻、中頻發(fā)生裝置,各種電火花以及電

3、臺(tái)、電視臺(tái)等產(chǎn)生的高頻電磁波向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾。雷電和宇宙空間也會(huì)有電磁波干擾信號(hào)。圖7-1 接地共阻抗干擾電路1電路2電路3I1I2I3CI3r3r2I2 I3r1I1 I2 I3BA干擾存在的形式在電路中，干擾信號(hào)通常以串模干擾和共模干擾形式與有用信號(hào)一同傳輸。1. 串模信號(hào)串模干擾是疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾信號(hào)，也稱橫向干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合、長(zhǎng)線傳輸?shù)幕ジ?、空間電磁場(chǎng)引起的磁場(chǎng)耦合以及50Hz的工頻干擾等。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，被測(cè)信號(hào)是直流（或變化比較緩慢的）信號(hào)，而干擾信號(hào)經(jīng)常是一些雜亂的波形并含有尖峰脈沖，如圖7-2(c)所示。圖7-2中Us表示理

4、想測(cè)試信號(hào)， U c表示實(shí)際傳輸信號(hào)，Ug表示不規(guī)則干擾信號(hào)。干擾可能來(lái)自信號(hào)源內(nèi)部（圖7-2(a)），也可能來(lái)自于導(dǎo)線的感應(yīng)（圖7-2(b)）。圖7-2 串模干擾示意圖A/D轉(zhuǎn)換器UsUg信號(hào)源A/D轉(zhuǎn)換器UsUg理想被測(cè)信號(hào)UsOUgOt串模干擾信號(hào)UcOtt實(shí)測(cè)信號(hào)(a)(b)(c)2.共模干擾共模干擾往往是指同時(shí)加載在各個(gè)輸入信號(hào)接口端的共有的信號(hào)干擾。圖7-3所示的電路中，檢測(cè)信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端上即存在公共的電壓干擾。由于輸入信號(hào)源與主機(jī)有較長(zhǎng)的距離，輸入信號(hào)Us的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入端參考接地點(diǎn)之間存在電位差Ucm。這個(gè)電位差就在轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸

5、入端上形成共模干擾。以計(jì)算機(jī)接地點(diǎn)為參考點(diǎn)，加到輸入點(diǎn)A上的信號(hào)為Us+Ucm，加到輸入點(diǎn)B上的信號(hào)為Ucm。 圖7-3 共模干擾示意圖A/D轉(zhuǎn)換器UsUcm計(jì)算機(jī)AB7.2 抗干擾的措施7.2.1 屏蔽屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對(duì)象包圍起來(lái)，從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場(chǎng)的性質(zhì)不同，可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。 電場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于電場(chǎng)耦合引起的干擾。 磁場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于磁場(chǎng)耦合引起的干擾。 如圖7-4所示的變壓器，在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。在如圖7-5所示的同

6、軸電纜中，為防止信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到電磁干擾，在電纜線中設(shè)置了屏蔽層。 圖7-4 變壓器的屏蔽圖7-5 同軸電纜示意圖12431芯線；2絕緣體；3外層導(dǎo)線；4絕緣外皮7.2.2 隔離 1.光電隔離光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)模玫钠骷枪怆婑詈掀?。由于光電耦合器在傳輸信息時(shí)，不是將其輸入和輸出的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是借助于光作為媒介物進(jìn)行耦合的，因而具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能力。圖7-6(a)所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路。在控制系統(tǒng)中，它既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈沖放大作用。由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性

7、，使它能方便地組合成各種電路；又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，因而在機(jī)電一體化產(chǎn)品中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。 圖7-6光電隔離和變壓器隔離原理(a）光電隔離；(b）變壓器隔離UsAB光耦合器FGASGASGBFGB(a)圖7-6光電隔離和變壓器隔離原理(a）光電隔離；(b）變壓器隔離UsAB隔離變壓器FGASGASGBFGB(b)2.變壓器隔離對(duì)于交流信號(hào)的傳輸,一般使用變壓器隔離干擾信號(hào)的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來(lái)阻斷交流信號(hào)中的直流干擾和抑制低頻干擾信號(hào)的強(qiáng)度,如圖7-6(b)所示的變壓器耦合隔離電路。隔離變壓器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號(hào)源隔離開(kāi)來(lái)，也就

8、是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_(kāi)。傳輸信號(hào)通過(guò)變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。圖7-7所示為一種帶多層屏蔽的隔離變壓器。當(dāng)含有直流或低頻干擾的交流信號(hào)從一次側(cè)端輸入時(shí)，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號(hào)濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號(hào)幅值也被大大衰減，從而達(dá)到了抑制干擾的目的。 圖7-7 多層隔離變壓器S1S2三層屏蔽密封體一次側(cè)二次側(cè)另外，在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈外設(shè)有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內(nèi)、外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用；中間層用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。這三層屏蔽層是為了防止外界電磁場(chǎng)通過(guò)變壓器

9、對(duì)電路形成干擾而設(shè)置的，這種隔離變壓器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。3.繼電器隔離繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線圈接收電信號(hào)，而利用其觸點(diǎn)控制和傳輸電信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離（如圖7-8所示）。同時(shí)，繼電器觸點(diǎn)較多，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，因此應(yīng)用非常廣泛。 圖7-8 繼電器隔離弱電電路強(qiáng)電電路繼電器7.2.3 濾波濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，因而當(dāng)接收器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。圖7-9所示為計(jì)算機(jī)電源采用的一種LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的2

10、20V工頻電源通過(guò)截止頻率為50Hz的濾波器，其高頻信號(hào)被衰減，只有50Hz的工頻信號(hào)通過(guò)濾波器到達(dá)電源變壓器，保證正常供電。圖7-9 低通濾波器220 V圖7-10(a)所示為觸點(diǎn)抖動(dòng)抑制電路，對(duì)抑制各類觸點(diǎn)或開(kāi)關(guān)在閉合或斷開(kāi)瞬間因觸點(diǎn)抖動(dòng)所引起的干擾是十分有效的。圖7-10(b)所示電路是交流信號(hào)抑制電路，主要用于抑制電感性負(fù)載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的反電勢(shì)。這種阻容吸收電路可以將電感線圈的磁場(chǎng)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以降低能量的消散速度。圖7-10(c)所示電路是輸入信號(hào)的阻容濾波電路，類似的這種線路既可作為直流電源的輸入濾波器，也可作為模擬電路輸入信號(hào)的阻容濾波器。

11、圖7-10 干擾濾波電路(a)(b)(c)圖7-11所示為一種雙T型帶阻濾波器，可用來(lái)消除工頻（電源）串模干擾。圖中輸入信號(hào)U1經(jīng)過(guò)兩條通路送到輸出端。 圖7-11 雙T型帶阻濾波器C1C2R1R2C3R3U1U27.2.4 接地圖7-12所示是并聯(lián)一點(diǎn)接地方式。這種方式在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線，用起來(lái)比較麻煩。 圖7-12 并聯(lián)一點(diǎn)接地電 路 1Ar3r2電 路 2電 路 3r1I1I2I3BC2. 多點(diǎn)接地多點(diǎn)接地所需地線較多，一般適用于低頻信號(hào)。若電路工作頻率較高，電感分量大

12、，各地線間的互感耦合會(huì)增加干擾。如圖7-13所示，各接地點(diǎn)就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上。 圖7-13 多點(diǎn)接地電 路 1電 路 2電 路 3R1R2R3L1L2L33.地線的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種地線的布局和接地方法。圖7-14所示是一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的接地方法。 圖7-14 數(shù)控機(jī)床的接地機(jī)械地強(qiáng)電柜地功率地信號(hào)地公共點(diǎn)大地7.2.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì)1.軟件濾波用軟件來(lái)識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)并濾除干擾信號(hào)的方法稱為軟件濾波。識(shí)別信號(hào)的原則有三種：（1）時(shí)間原則。 （2）空間原則。（3）屬性原則。 2.軟件“陷阱”從軟件的運(yùn)行來(lái)看，瞬時(shí)電磁干擾可能會(huì)使CPU偏離預(yù)定的程

13、序指針，進(jìn)入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見(jiàn)的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”法。這種方法的基本指導(dǎo)思想是，把系統(tǒng)存儲(chǔ)器（RAM和ROM）中沒(méi)有使用的單元用某一種重新啟動(dòng)的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般當(dāng)CPU執(zhí)行該條指令時(shí)，程序就自動(dòng)轉(zhuǎn)到某一起始地址，從這一起始地址開(kāi)始存放一段使程序重新恢復(fù)運(yùn)行的熱啟動(dòng)程序，該熱啟動(dòng)程序掃描現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)判斷程序應(yīng)該轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序的哪個(gè)入口，使系統(tǒng)重新投入正常運(yùn)行。 3.軟件“看門狗”“看門狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或軟件）的辦法使用監(jiān)控定時(shí)

14、器定時(shí)檢查某段程序或接口，當(dāng)超過(guò)一定時(shí)間系統(tǒng)沒(méi)有檢查這段程序或接口時(shí)，可以認(rèn)定系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)（干擾發(fā)生），可通過(guò)軟件進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位或按事先預(yù)定的方式運(yùn)行。“看門狗”是工業(yè)控制機(jī)普遍采用的一種軟件抗干擾措施。當(dāng)侵入的尖峰電磁干擾使計(jì)算機(jī)程序“飛掉”時(shí)，WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。7.3 提高系統(tǒng)抗干擾能力的措施7.3.1 邏輯設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單可靠對(duì)于一個(gè)具體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在滿足生產(chǎn)工藝控制要求的前提下，邏輯設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，以便節(jié)省元件，方便操作。 7.3.2 硬件自檢測(cè)和軟件自恢復(fù)的設(shè)計(jì)由于干擾引起的誤動(dòng)作多是偶發(fā)性的，因而應(yīng)采取某種措施使這種偶發(fā)的誤動(dòng)作不致直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，在總體設(shè)計(jì)上必須設(shè)法使干擾造成的這種故障能夠盡快恢復(fù)正常。通常的方式是在硬件上設(shè)置某些自動(dòng)監(jiān)測(cè)電路,這主要是為了對(duì)一些薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)控，以便縮小故障范圍，增強(qiáng)整體的可靠性。 7.3.3 從安裝