第7章抗干扰技术应用

1、第7章抗干扰技术应用7.1 产生干扰的因素 干扰的定义干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。 电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。 7.1.2 形成干扰的三个要素1.干扰源产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳 和高压电线等都可以产生空中电磁信 2.传播途径传播途径是指干扰信号的传播路径。 3.接收载体接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成

2、影响的电器参数。 7.1.3 电磁干扰的种类 按干扰的耦合模式分类，电磁干扰分为以下五种类型。1.静电干扰2.磁场耦合干扰磁场耦合干扰是指大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。3.漏电耦合干扰 漏电耦合干扰是因绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰，多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身老化的情况下。 4.共阻抗干扰共阻抗干扰是指电路各部分公共导线阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰,这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图7-1所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。 5.电磁辐射干扰由各种大功率高频、中频发生装置,各种电火花以及电

3、台、电视台等产生的高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。雷电和宇宙空间也会有电磁波干扰信号。图7-1 接地共阻抗干扰电路1电路2电路3I1I2I3CI3r3r2I2 I3r1I1 I2 I3BA干扰存在的形式在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。1. 串模信号串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频干扰等。在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较缓慢的）信号，而干扰信号经常是一些杂乱的波形并含有尖峰脉冲，如图7-2(c)所示。图7-2中Us表示理

4、想测试信号， U c表示实际传输信号，Ug表示不规则干扰信号。干扰可能来自信号源内部（图7-2(a)），也可能来自于导线的感应（图7-2(b)）。图7-2 串模干扰示意图A/D转换器UsUg信号源A/D转换器UsUg理想被测信号UsOUgOt串模干扰信号UcOtt实测信号(a)(b)(c)2.共模干扰共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰。图7-3所示的电路中，检测信号输入A/D转换器，A/D转换器的两个输入端上即存在公共的电压干扰。由于输入信号源与主机有较长的距离，输入信号Us的参考接地点和计算机控制系统输入端参考接地点之间存在电位差Ucm。这个电位差就在转换器的两个输

5、入端上形成共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到输入点A上的信号为Us+Ucm，加到输入点B上的信号为Ucm。 图7-3 共模干扰示意图A/D转换器UsUcm计算机AB7.2 抗干扰的措施7.2.1 屏蔽屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。 如图7-4所示的变压器，在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环。在如图7-5所示的同

6、轴电缆中，为防止信号在传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽层。 图7-4 变压器的屏蔽图7-5 同轴电缆示意图12431芯线；2绝缘体；3外层导线；4绝缘外皮7.2.2 隔离 1.光电隔离光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。图7-6(a)所示为一般光电耦合器组成的输入/输出线路。在控制系统中，它既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性

7、，使它能方便地组合成各种电路；又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。 图7-6光电隔离和变压器隔离原理(a）光电隔离；(b）变压器隔离UsAB光耦合器FGASGASGBFGB(a)图7-6光电隔离和变压器隔离原理(a）光电隔离；(b）变压器隔离UsAB隔离变压器FGASGASGBFGB(b)2.变压器隔离对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度,如图7-6(b)所示的变压器耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就

8、是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。图7-7所示为一种带多层屏蔽的隔离变压器。当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。 图7-7 多层隔离变压器S1S2三层屏蔽密封体一次侧二次侧另外，在变压器的一次侧和二次侧线圈外设有静电隔离层S1和S2，其目的是防止一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的三层屏蔽密封体的内、外两层用铁，起磁屏蔽的作用；中间层用铜，与铁心相连并直接接地，起静电屏蔽作用。这三层屏蔽层是为了防止外界电磁场通过变压器

9、对电路形成干扰而设置的，这种隔离变压器具有很强的抗干扰能力。3.继电器隔离继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离（如图7-8所示）。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。 图7-8 继电器隔离弱电电路强电电路继电器7.2.3 滤波滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。图7-9所示为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的2

10、20V工频电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。图7-9 低通滤波器220 V图7-10(a)所示为触点抖动抑制电路，对抑制各类触点或开关在闭合或断开瞬间因触点抖动所引起的干扰是十分有效的。图7-10(b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的反电势。这种阻容吸收电路可以将电感线圈的磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量储存起来，以降低能量的消散速度。图7-10(c)所示电路是输入信号的阻容滤波电路，类似的这种线路既可作为直流电源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波器。

11、图7-10 干扰滤波电路(a)(b)(c)图7-11所示为一种双T型带阻滤波器，可用来消除工频（电源）串模干扰。图中输入信号U1经过两条通路送到输出端。 图7-11 双T型带阻滤波器C1C2R1R2C3R3U1U27.2.4 接地图7-12所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。 图7-12 并联一点接地电 路 1Ar3r2电 路 2电 路 3r1I1I2I3BC2. 多点接地多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量大

12、，各地线间的互感耦合会增加干扰。如图7-13所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。 图7-13 多点接地电 路 1电 路 2电 路 3R1R2R3L1L2L33.地线的设计机电一体化系统设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方法。图7-14所示是一台数控机床的接地方法。 图7-14 数控机床的接地机械地强电柜地功率地信号地公共点大地7.2.5 软件抗干扰设计1.软件滤波用软件来识别有用信号和干扰信号并滤除干扰信号的方法称为软件滤波。识别信号的原则有三种：（1）时间原则。 （2）空间原则。（3）属性原则。 2.软件“陷阱”从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程

13、序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般当CPU执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些状态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新投入正常运行。 3.软件“看门狗”“看门狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或软件）的办法使用监控定时

14、器定时检查某段程序或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生），可通过软件进行系统复位或按事先预定的方式运行。“看门狗”是工业控制机普遍采用的一种软件抗干扰措施。当侵入的尖峰电磁干扰使计算机程序“飞掉”时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。7.3 提高系统抗干扰能力的措施7.3.1 逻辑设计力求简单可靠对于一个具体的机电一体化产品，在满足生产工艺控制要求的前提下，逻辑设计应尽量简单，以便节省元件，方便操作。 7.3.2 硬件自检测和软件自恢复的设计由于干扰引起的误动作多是偶发性的，因而应采取某种措施使这种偶发的误动作不致直接影响系统的运行。因此，在总体设计上必须设法使干扰造成的这种故障能够尽快恢复正常。通常的方式是在硬件上设置某些自动监测电路,这主要是为了对一些薄弱环节加强监控，以便缩小故障范围，增强整体的可靠性。 7.3.3 从安装