机电一体化系统抗干扰的措施

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1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2所示的同轴电缆中，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1 变压器的屏蔽 图2 同轴电缆示意图 一、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。具有较强的隔离和抗干扰能力。 图3(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，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3光电隔离和变压器隔离原理 (a）光电隔离；(b）变压器隔离 图4光电隔离和变压器隔离原理 (a）光电隔离；(b）变压器隔离 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4(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5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。 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。
图5 多层隔离变压器 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6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6 继电器隔离 二、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所示为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。 图7 低通滤波器 图8(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8(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8(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。 图8 干扰滤波电路 图9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9 双T型带阻滤波器 三、接地 图10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10 并联一点接地 2. 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，各地线间的互感耦合会增加干扰。如图11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11 多点接地 3.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12所示是一台数控机床的接地方法。 图12 数控机床的接地 四、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。 五、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。 六、从安装和工艺等方面采取措施以消除干扰 1.合理选择接地 2.合理选择电源 合理选择电源对系统的抗干扰能力也是至关重要的。 3.合理布局 对机电一体化设备及系统的各个部分进行合理的布局，能有效地防止电磁干扰的危害。 七、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。