抗干扰培训-第1章概述ppt课件

.,1,控制工程中的抗干扰技术概述,徐义亨,.,2,随着微电子技术的发展和控制系统集成化程度的提高，大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，现已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片对外界的噪声也越趋敏感，所以显示出来的抗干扰能力也就很低。,.,3,控制系统不但系统复杂，设备多，输入/输出（I/O）端口多，特别是外部的连接电缆又多又长，这类似于是拾取噪声的高效天线，给噪声的耦合提供了充分的条件，使得各种噪声容易侵入控制系统。,.,4,欲提高控制系统的抗干扰能力，除了在设计系统本身的电子线路、结构以及软件时应于考虑的各项抗干扰措施外，更重要的是如何提高控制系统在工程应用中的抗干扰技术。,.,5,1噪声和干扰,对有用信号以外的所有电子信号总称为噪声。可以将噪声源分成三大类：1）本征噪声源，其来源于物理系统的随机波动，例如热噪声和散粒噪声等；2）人为噪声源，例如电机、开关、数字电子设备、无线电发射装置等在运行过程中所带来的噪声；3）自然界干扰引起的噪声，例如雷击和太阳的黑子活动等。,.,6,当噪声电压大到足够大时，足以在接收中造成骚扰使一个电路产生误操作，这就是一个干扰。噪声是一种电子信号，它是不能消除的，而只能在量级上尽量减小直到不再引起干扰。而干扰是指某种效应，是由于噪声对电路造成的一种不良反应。所以电路中存在着噪声，但不一定形成干扰。,.,7,1.2构成噪声问题的三要素,1）产生噪声的源头是什么？2）哪些是对噪声有敏感的感受体？3）将噪声从源头传送到感受体的耦合途径是什么？,.,8,抑制噪声的三种基本方法：1）尽量将客观存在的噪声源的强度在发生处进行抑制，这是最有效的方法。但是并非所有的噪声源都可以抑制的，如雷击、无线电天线发射等。2）提高感受体对干扰的抗扰度，这取决于控制系统本身的抗干扰能力。3）减小或拦截通过耦合路径传输的噪声大小，即减少传播路径上噪声的传输量。,.,9,直流电动机系统,.,10,3噪声的耦合途经,从物理概念上说，噪声的传播途经大致有五种：导线直接传导耦合；经公共阻抗的耦合；电容性耦合；电感性耦合；电磁场耦合。,.,11,所谓的导线直接传导耦合系指噪声是通过信号线和交、直流电源线以及通信线等将信号源或电源里夹带的噪声直接传导给电路。这种耦合是最常见的，如串模干扰都属此例。抑制此类噪声的最基本方法就是避免导线拾取噪声，或者在它干扰敏感电路前用去耦或滤波（包括数字滤波）的方式消除噪声。,.,12,公共阻抗耦合电路,.,13,电容性耦合又称静电耦合或静电感应，它是由电路间电场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着分布电容。电感性耦合又称电磁耦合或电磁感应，它是由电路间磁场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着互感。这两种耦合加上前述的导线直接传导耦合和经公共阻抗的耦合均称为传导性耦合。其中电容性耦合和电感性耦合又称为近场辐射。此外还有电磁场辐射，它又称为辐射耦合或远场辐射，它是电场和磁场相结合的耦合，并通过能量的辐射对线路产生干扰的。,.,14,严格地说，有关噪声问题的求解，需要通过麦克斯韦方程组才能得到，该方程组是三个空间变量（x、y、z）和时间（t）的函数。这样，问题就变得非常复杂，非一般工程技术人员能够接受和理解。为此，在本书里，我们还是采用“电路”的理论用集中参数来近似地求解。所以我们采取了如下的假设：1）用一个连接在两导体间的电容来表示两导体间存在的一个随时间变化的电场；2）用一个连接在两导体间的互感来表示两导体互相耦合的一个随时间变化的磁场；,.,15,4串模干扰和共模干扰,按干扰源VC和信号源VS的连接关系，或者说按干扰源VC对电路作用的形态有串模干扰和共模干扰之分。所谓串模干扰就是干扰源Vc串联于信号源Vs之中。或者简单地认为干扰源Vc和信号源Vs是迭加在一起的。在输入回路中干扰源Vc与信号源Vs所处的地位完全相同。串模干扰也称横向干扰或差模干扰。,.,16,.,17,串模干扰源自于：1）信号线受空间电磁辐射的感应；2）通过变送器的供电电源串入的电网干扰；3）信号源本身产生的干扰。,.,18,放大器的地和信号源的地之间由于地电平的差异所形成的干扰称共模干扰，或谓出现在测量电路端子和地之间的一种干扰形式，也称纵向干扰或共态干扰。这种干扰（地电位差）在实际测量中是普遍存在的，根据干扰环境、被测信号源和测量系统的距离等因素，这地电位差一般可以达几伏、十几伏甚至100V以上，在雷击时甚至可达数十万伏以上的浪涌电压。,.,19,对下图所示的单端对地输入系统，共模干扰全部转换成串模干扰影响测量系统的。,.,20,.,21,该图所示的双端对地系统，共模干扰并不直接影响电路的，它是通过输入电路的不对称转化成串模电压造成干扰的。如果仅考虑共模干扰,即信号为零时,那么作用在Z5上的电压为:,.,22,如果电路对称,即Z1=Z2,Z3=Z4,则V=O；一般电路做不到完全对称，所以V不等于零，所以共模干扰就对测量系统产生影响。衡量一个测量控制系统的抗串模噪声和抗共模噪声的能力，可以用串模干扰抑制比SMRR和共模干扰抑制比CMRR来表示。式中：Uc共模干扰的直流或交流峰值电压，单位伏特；U施加共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特。,.,23,式中：Us串模干扰交流峰值电压，单位伏特；U施加串模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特。,.,24,串模干扰和共模干扰的试验值,.,25,设模拟量输入系统的准确度等级为a，则在串模干扰或共模干扰的作用下，信号测量准度偏差应不大于a%，即（U/F.S）100%a%式中：U施加串模干扰或共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特；F.S对应的信号电量程的上限值，单位伏特。,.,26,5电磁兼容性设计,电磁兼容性（EMC）指的是电子式控制系统的一种性能：1）在可能的电磁环境中，控制系统仍然具有正常的工作能力；2）不会成为环境中的一个电磁污染源。一般用“抗扰度”来衡量控制系统在电磁环境下的抗干扰能力；用“发射”来表明对环境的电磁污染。,.,27,由于各种电磁干扰都是一种复杂多变的随机过程，难以重复，为了有效地对其干扰效应和危害进行正确的评估，IEC61000-4电磁兼容试验和测量技术把控制系统在工程应用中常见的电磁干扰按其性质进行分类，并对这些干扰的试验模型和试验等级作了相应的规定。不同的试验等级表示不同的抗扰度电平。,.,28,相对于各种电磁干扰，一个控制系统应有相应的抗扰度指标，包括：电压短时中断抗扰度；电压变化抗扰度；电快速瞬变脉冲群抗扰度；浪涌（冲击）抗扰度；静电抗扰度；工频磁场抗扰度；脉冲磁场抗扰度；射频电磁场辐射抗扰度；射频场感应的传导骚扰抗扰度等。,.,29,5.1电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度,所谓“电压暂降”系指在供电电压突然下降，经历了半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常。所谓“短时中断”系指供电电压消失一段时间，短时中断也可认为是100%幅值的电压瞬时跌落。所谓“电压变化”系指供电电压逐渐变得高于或者低于额定电压。变化的持续时间相对于周期来说，可长可短。,.,30,与低压电网连接的控制系统，由于供电电网、变电设备发生故障，或由于负荷突然发生大的变动乃至负荷连续变化，直至控制系统备用电源的切换均能引起电压暂降、短时中断和电压变化。,.,31,电压暂降和短时中断的变化过程极为短促，是在瞬间完成的。试验电压是用有效值表示的，额定电压作为试验的基础电压UT。试验过程中应注意：1）电压瞬时跌落和短时中断，根据试验等级和持续时间的组合依次进行三次试验，两次试验间隔最小时间为10s。2）电压突变发生在过零处，以及标准规定的认为是关键的相角处，如：45、90、135、180；3）电压渐变，对被试设备进行规定的每一种电压变化，都必须进行三次试验，两次试验间隔时间为10s。,.,32,5.2电快速瞬变脉冲群抗扰度,电快速瞬变脉冲群（简称“群脉冲”）来源于切换瞬态过程，如：1）感性负载的切断；2）继电器、接触器触点的跳动；3）高压开关装置的切换等。其频谱范围为（1100）MHz，甚至可高达300MHz。,.,33,其特点是上升时间快（5ns），持续时间短（50ns），能量低，但具有较高的重复频率。它们会骚扰控制系统的运行。,.,34,.,35,试验时，产生电快速瞬变脉冲群发生器的主要特性参数（在接50负载时）是：1）有正负极性。2）单个脉冲的上升时间为5ns30%。3）脉冲持续时间（半峰值）为50ns30%。4）与供电电源异步。5）脉冲群持续时间为15ms20%。6）脉冲群周期为300ms20%。7）脉冲重复率：开路输出电压为0.25、0.5、1、2kV时为5kHz20%；开路输出电压为4kV时为2.5kHz20%。8）开路输出电压为0.25kV（1-10%）4kV（1+10%）。,.,36,5.3浪涌（冲击）抗扰度,浪涌的主要来源包括电源系统的切换瞬变、各种系统的故障（如接地系统间的短路等）和雷电瞬变（包括直击雷和感应雷）等。浪涌的特点是上升沿的变化速度快，瞬态功率大。用于控制系统的浪涌试验波形如图1.8所示，其中1.2/50为电压波形，8/20为电流波形。,.,37,.,38,试验时首先要确定试验部位（如电源、I/O、通信等端口）；在每个试验部位，正负极性的干扰至少要各加5次，每次浪涌的最大重复率为1次/分。相对于交流电源，干扰波应同步在电源波形的过零点和正负峰值点上。试验电压逐步增加到规定的电平值，试验电压逐次加在每一根线与地之间。试验电压不能随意超过规定的要求。,.,39,5.4静电抗扰度,静电系由非常低的能量累积以电容模式储存在人体或设备表面，由突发触及使其储能以极大的速度崩溃放电而成，其频宽可由数百MHz到数个GHz。静电放电具有高电位、低电量、小电流和作用时间短的特点。由于静电放电波形的上升沿时间很短，约1纳秒左右，电流的变化率很大，所以对电路的影响很大，特别是对CMOS器件，因为其氧化膜的耐压界限一般仅为（100-150）V。任何物体间的接触和分离就会有静电产生，从控制系统的制造到使用，包括运输、存放以及操作人员在人机界面上的接触，都有静电的释放。其中人体是最主要的静电放电源头。,.,40,.,41,.,42,5.5工频磁场抗扰度,工频磁场是最常见的干扰源。如导体中的工频电流，变压器等电力设备的漏磁通等。工频磁场可以分以下两种情况：1）正常运行条件下的电流所产生稳定的磁场，其幅值较小（1100）A/m。2）故障情况下的电流，能产生幅值较高、但持续时间较短的磁场，直到保护装置动作为止（3001000）A/m。工频磁场的试验等级分稳定和短时作用（1s3s）两种，共5个试验等级。,.,43,.,44,5.6脉冲磁场抗扰度,脉冲磁场是由雷击建筑物和其它金属构架（包括天线杆、接地体和接地网）以及由在低压、中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的。在高压变电所，脉冲磁场也可由断路器切合高压母线和高压线路产生。对控制系统而言，威胁最大的是雷击时在空间产生的脉冲磁场。,.,45,.,46,5.7射频电磁场辐射抗扰度,射频电磁场辐射来源于下列的一些情况，如：1）系统的操作、维护和检查人员在使用移动电话或对讲机；2）包括电台、电视发射台、发射机以及各种工业电磁辐射源的作用和影响。射频电磁场辐射可以使话音系统语言清晰度变坏，图像显示系统变得模糊并出现差错，指针式仪表系统指示错误、抖动和乱摆，控制系统失控乃至误控，模拟信号传送波形和相位的失真，以及数字信号传送出错等等。,.,47,下图的左边是早年射频电磁场的试验波形：（27-500）MHz，未调制，Vp-p=2.8V,Vrsm=1.0V。右边是现在更加严峻的电磁试验波形：（80-1000）MHz，1kHz正弦波进行调制，调制深度80%，Vp-p=5.18V,Vrsm=1.12V。,.,48,.,49,下图为进行射频电磁场辐射试验的电波暗室。它必须要有足够的空间，五面敷设吸波材料，在整个平面中场的变化令人满意地小。,.,50,由于射频电磁场辐射抗扰度要在电波暗室里进行，非一般制造商能力所及。一种简便的测试方法是利用功率为p，频率为80MHz1000MHz的步话机作干扰源，距被测设备为d，其产生的电场强度的统计平均值E为：式中：E电场强度，V/m；P步话机功率，W；d距离，m。,.,51,5.8射频场感应的传导骚扰抗扰度,射频场感应的传导骚扰主要来源是在开关电源、变频器等射频发射设备的电磁场作用下，于控制系统的电源线、通信线、接口电缆等连接线路上产生的传导骚扰。其频率范围为9kHz80MHz。其试验等级如下表所示，频率范围为（150k-80M）Hz，对（9-150）kHz没有提出要求。电压是以有效值（rms）表示的未经调制的开路试验电平。,.,52,.,53,5.9评定抗扰度试验结果的通用原则（性能判据）,评定抗扰度试验结果的通用原则是如下的四个性能判据等级：性能判据1：试验时，在技术规范极限内性能正常。即性能不能有偏离制造商所规定技术规范的明显降级。性能判据2：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复。如试验时，某设备的模拟功能数值出现可容许的偏差。试验后，偏差消失。性能判据3：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但需要操作者干预或系统复位。如试验时导致过电流保护装置断路，由操作者更换或复位该过电流保护装置。性能判据4：由于设备、元器件、软件的损坏，或数据丢失，造成不能恢复的降级或功能丧失。性能判据4通常是不能接受的。对性能判据2和3，应按被控过程的连续与否以及运行的重要性确认是否认可。,.,54,5.10电磁兼容性的发射,根据前面对电磁兼容性(EMC)的定义可知，设备的电磁兼容性不但包括对干扰的抗扰度，还应该包括不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，即所谓的发射要求。控制系统（如DCS、PLC等）的电磁发射可能会干扰其它的设备。电磁发射又包括电磁辐射发射（RE）和传导发射（CE）两种。这些发射限值代表着基本的电磁兼容性要求，并且经过选择能保证在工业场所正常工作的设备所产生的骚扰电平不会妨碍其它设备的正常工作。,.,55,.,56,1）电磁辐射发射（RE）,受试设备,场强仪,计算机,电波暗室,控制室,.,57,2）传导发射（CE）现今，由于开关电源在体积、重量和效率三个方面具有传统线性电源无可比拟的优点，故广泛地被应用。但开关电源系利用20kHz以上的频率（目前可达250kHz以上），并以开和关的时间之比来控制稳定输出电压的，所以在电源线路内的dU/dt和dI/dt变化很激烈，会产生很大的浪涌电压和其它各类脉冲，形成了一个强烈的干扰源。所谓传导发射是指控制系统的开关电源在工作时，从电源线上耦合出来的并返回到交流电源上的干扰信号，测量这些信号是否超过标准所要求的限值。,.,58,测量的方法如下图所示，它是用功率吸收钳来测量控制系统的传导发射。图中的滤波器是将交流电源中的高频信号滤掉。,滤波器,吸收钳,控制系统的开关电源,接收机,.,59,减少开关电源的传导发射主要可从如下几方面着手：1）抑制开关电源自身的干扰强度，包括采用高速开关二极管和非晶体磁环等措施。2）开关电源本身的屏蔽接地。3）对开关电源的多负载进行布线时，应使线路尽量平衡，以减少将共模噪声转化成较大的串模噪声。,.,60,5.11电磁兼容性设计,在控制系统的电路和结构的设计之初，一定要先考虑其电