抗干扰技术

抗干扰技术
干扰问题是机电一体化系统设计和使用过程中必须考虑的重要问题。在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。
抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施（对抗）等问题。机电一体化系统的设计中，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰，同时还要防止对环境的干扰污染。国家标准中规定了电子产品的电磁辐射参数指标。
第一节  产生干扰的因素
一、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，在众多干扰中，电磁干扰最为普遍，且对控制系统影响最大，而其它干扰因素往往可以通过一些物理的方法较容易地解决。本节重点介绍电磁干扰的相关内容。
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。这些有害的电气变化现象使得信号的数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障。例如传感器的导线受空中磁场影响产生的感应电势会大于测量的传感器输出信号，使系统判断失灵。

二、形成干扰的三个要素
干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰都不会产生。
1、干扰源
产生干扰信号的设备被称作干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号。当然，雷电、太阳和宇宙射线属于干扰源。
2、传播途径
传播途径是指干扰信号的传播路径。电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的传播叫作辐射方式传播；电磁信号借助导线传入设备的传播被称为传导方式传播。传播途径是干扰扩散和无所不在的主要原因。
3、接受载体
接受载体是指受影响的设备的某个环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。接受载体不能感应干扰信号或弱化干扰信号使其不被干扰影响就提高了抗干扰的能力。接受载体的接受过程又成为耦合，耦合分为两类，传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件（如电容器、变压器等）耦合至接受载体。辐射耦合指电磁干扰能量通过空间以电磁场形式耦合至接受载体。
根据干扰的定义可以看出，信号之所以是干扰是因为它对系统造成的不良影响，反之，不能称其为干扰。从形成干扰的要素可知，消除三个要素中的任何一个，都会避免干扰。抗干扰技术就是针对三个要素的研究和处理。

三、电磁干扰的种类
按干扰的耦合模式分类，电磁干扰包括下列类型。
1、静电干扰
大量物体表面都有静电电荷的存在，特别是含电气控制的设备，静电电荷会在系统中形成静电电场。静电电场会引起电路的电位发生变化；会通过电容耦合产生干扰。静电干扰还包括电路周围物件上积聚的电荷对电路的泄放，大载流导体（输电线路）产生的电场通过寄生电容对机电一体化装置传输的耦合干扰等等。
2、  磁场耦合干扰
大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。动力线、电动机、发电机、电源变压器和继电器等都会产生这种磁场。产生磁场干扰的设备往往同时伴随着电场的干扰，因此又统一称为电磁干扰。
3、漏电耦合干扰
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1所示的串联的接地方式，由于接地电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。当I1（或I2、I3）发生变化时，A、B、C点的电位随之发生变化，导致各电路的不稳定。

图1  接地共阻抗干扰
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。

四、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），而干扰信号经常是一些杂乱的波形和含有尖峰脉冲，如图2c所示，图中US表示理想测试信号，UC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2a），也可能来源于导线的感应（图2b）。
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断的共有的信号干扰。如图3所示检测信号输入A/D转换器的两个输入端上的公有的电压干扰。由于输入信号源与主机有较长距离，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上也有信号Ucm。

         图2 串模干扰示意图

         图3   共模干扰示意图

第二节  抗干扰的措施
提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，使其不向外产生干扰或将其干扰影响限制在允许的范围之内。由于车间现场干扰源的复杂性，要想对所有的干扰源都作到使其不向外产生干扰，几乎是不可能的，也是不现实的。另外，来自于电网和外界环境的干扰，机电一体化产品用户环境的干扰源也是无法避免的。因此，在产品开发和应用中，除了对一些重要的干扰源，主要是对被直接控制的对象上的一些干扰源进行抑制外，更多的则是在产品内设法抑制外来干扰的影响，以保证系统可靠地工作。
抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法

    一、屏蔽
    屏蔽是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。通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料作屏蔽体。屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地。
    磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。对静磁场及低频交变磁场，可用高磁导率的材料作屏蔽体，并保证磁路畅通。对高频交变磁场，由于主要靠屏蔽体壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。选用材料也是良导体，如铜、铝等。
如图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。当漏磁通穿过短路环时，在铜环中感生涡流，因此会产生反磁通以抵消部分漏磁通，使变压器外的磁通减弱。屏蔽的效果与屏蔽层数量和每层厚度有关。

图4 变压器的屏蔽
如图5所示的同轴电缆中，为防止在信号传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽层。芯线电流产生的磁场被局限在外层导体和芯线之间的空间中，不会传播到同轴电缆以外的空间。而电缆外的磁场干扰信号在同轴电缆的芯线和外层导体中产生的干扰电势方向相同，使电流一个增大，一个减小而相互抵消，总的电流增量为零。许多通信电缆还在外面包裹一层导体薄膜以提高屏蔽外界电磁干扰的作用。

                图5 同轴电缆示意图
      1－芯线 2－绝缘体  3－外层导线  4－绝缘外皮

二、隔离
    隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。
1、光电隔离  
光电隔离是以光作媒介在隔离的两端间进行信号传输的，所用的器件殊电耦合器。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，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。如图6a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，从而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。

             a）光电隔离      b）变压器隔离
          图6  光电隔离和变压器隔离原理

由于光耦合器共模抑制比大、无触点、寿命长、易与逻辑电路配合、响应速度快、小型、耐冲击且稳定可靠，因此在机电一体化系统特别是数字系统中得到了广泛的应用。   
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6b所示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。
如图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。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，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形成联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接受电信号，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8）。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  多层隔离变压器           图8  继电器隔离
实际使用中，继电器隔离指适合于开关量信号的传输。系统控制中，常用弱电开关信号控制继电器线圈，使继电器触电闭合和断开。而对应于线圈的触点，则用于传递强电回路的某些信号。隔离用的继电器，主要是一般小型电磁继电器或干簧继电器。
   
三、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，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。
常用滤波器根据其频率特性又可分为低通、高通、带通、带阻等滤波器。低通滤波器只让低频成分通过，而高于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。高通滤波器只通过高频成分，而低于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。带通滤波器只让某一频带范围内的频率成分通过，而低于下截止和高于上截止频率的成分均受抑制，不让通过。带阻滤波器只抑制某一频率范围内的频率成分，不让其通过，而低于下截止和高于上截止频率的频率成分则可通过。
在机电一体化系统中，常用低通滤波器抑制由交流电网侵入的高频干扰。图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220V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9  低通滤波器
  图10所示电路中，10a所示为触点抖动抑制电路，对于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10b所示电路是交流信号抑制电路，主要是为了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力，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10c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，亦可作为模拟电路输入信号的阻容滤波器。

图10  干扰滤波电路

如图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。当信号频率较低时，C1、C2和C3阻抗较大，信号主要通过R1、R2传送到输出端，当信号频率较高时，C1、C2和C3容抗很小，接近短路，所以信号主要通过C1、C2传送到输出端。只要参数选择得当，就可以使滤波器在某个中间频率f0时，由C1、C2和R3，支路传送到输出端的信号U2’，与由R1、R2和C3支路传送到输出端的信号U”2大小相等、相位相反，互相抵消，于是总输出为零。f0为双T滤波器的谐振频率。在参数设计时，使f0=50Hz，双T型带阻滤波器就可滤除工频干扰信号。   

   图11 双T型带阻滤波器

四、接地   
将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接，称之谓接地。接地的目的有两个：一是为了安全，例如把电子设备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地；二是为了给系统提供一个基准电位，例如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰，如屏蔽接地等。称为工作接地。工作接地包括一点接地和多点接地两种方式。
1、一点接地   
如图1所示为串联一点接地，由于地电阻r1，r2和r3，是串联的，所以各电路间相互发生干扰，虽然这种接地方式很不合理，但由于比较简单，用的地方仍然很多。当各电路的电平相差不大时还可勉强使用；但当各电路的电平相差很大时就不能使用，因为高电平将会产生很大的地电流并干扰到低电平电路中去。使用这种串联一点接地方式时还应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方，即图1中最接近于地电位的A点上。

图12  并联一点接地
如图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。   
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13   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。如图14所示是一台数控机床的接地方法。从图中可以看出，接地系统形成三个通道：信号接地通道，将所有小信号、逻辑电路的信号、灵敏度高的信号的接地点都接到信号地通道上；功率接地通道，将所有大电流、大功率部件、晶闸管、继电器、指示灯、强电部分的接地点都接到这一地线上；机械接地通道，将机柜、底座、面板、风扇外壳、电动机底座等机床接地点都接到这一地线上，此地线又称安全地线通道。将这三个通道再接到总的公共接地点上，公共接地点与大地接触良好，一般要求地电阻小于4Ω～7Ω。并且数控柜与强电柜之间有足够粗的保护接地电缆，如截面积为5.5～14mm2的接地电缆。因此，这种地线接法有较强的抗干扰能力，能够保证数控机床的正常运行。


        图14 数控机床的接地

五、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。识别信号的原则有两种：
（1）时间原则  如果掌握了有用信号和干扰信号在时间上出现的规律性，在程序设计上就可以在接收有用信号的时区打开输入口，而在可能出现干扰信号的时区封闭输入口，从而滤掉干扰信号。   
（2）空间原则  在程序设计上为保证接收到的信号正确无误，可将从不同位置、用不同检测方法、经不同路线或不同输入口接收到的同一信号进行比较，根据既定逻辑关系来判断真伪，从而滤掉干扰信号。