材料成型控制工程基础第五章

1、5.1.1 干扰途径干扰途径对于电磁干扰而言:可划分为传导和辐射两种类型 对材料成型现场的干扰 :传播类型的干扰是指通过金属体电感电容和变压器传播的；而辐射则是以多种途径向外传播的 5.1.2干扰分类干扰分类1 来自电网的干扰2来自微机控制系统外的空间的干扰 3系统自身内部的干扰 4从信号传输线传入的干扰 5其他类型的干扰 5.2.1 接地技术接地技术1接地的概念虚地是以电路系统中某一点电位为基准，接地是指让电子、电器设备的基准电位点与大地保持同电位。 2计算机控制系统中地线的形式屏蔽地：又称为安全地或机壳地，包括机架、外壳、屏蔽罩等。模拟地：作为A/D转换器、前置放大器等模拟部分的零电位。数

2、字地：即逻辑地，作为逻辑开关网络的零电位。功率地：作为大电流网络部件的零电位。信号地：是传感器本身的零信号电位基准公共线，传感器可看作是测量装置的信号源。系统地：是上述几种地线的最终回流点，它将最终与大地相连。而以大地电位作为基准零电位。直流地：直流电源的接地线。交流地：一般指50Hz交流电源接地线。3系统抑制干扰的接地方式1）一点接地准则2）模拟地线与数字地线应分开设置3）强电地线与信号地线分开设置4）多点接地系统5）混合接地系统 6）浮地系统5.2.2 屏蔽技术屏蔽技术电磁屏蔽的技术原理主要分以下几种 1）静电屏蔽2）交变电场屏蔽3）交变磁场屏蔽4）交变电磁场屏蔽屏蔽的注意事项1）屏蔽的完

3、整性2）屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合3）屏蔽体良好接地4）特殊部位的特殊屏蔽措施3屏蔽材料的选取 研究和应用较多的电磁屏蔽材料主要包括两大类：表面导电材料和导电复合材料。前者是通过使塑料表面金属化来反射电磁波；后者则是通过在塑料中填充导电材料，形成导电网络，达到屏蔽效果。 4屏蔽抗干扰技术1）电场耦合的屏蔽和抑制技术2）屏蔽线的使用图5.1示出了屏蔽线使用的3种情况。 图5.1 屏蔽线的用法 3）屏蔽双绞线工程应用一个实际的信号采集系统接地示意图如图5.8所示。 图5.2 一个实际的信号采集系统接地示意图5.2.3 硬件硬件“看门狗看门狗”技术技术1微处理器监控器MAX690A/MAX692A

4、简介MAX690A/MAX692A是美国MAXIM公司推出的产品，具有以下功能：（1）在微处理器上电、掉电及低压供电时，产生一个复位输出信号；（2）具有备用电池切换电路，备用电池可供给CMOS RAM芯片、 CMOS P或其他低功耗逻辑电路；（3）具有Watchdog电路，该电路的外触发脉冲时间间隔超过1.6s时， 将产生一个复位输出；（4）可用于低电压检测。图5.3 MAX690A/MAX692A封装图2工作原理MAX690A/MAX692A内部原理框图如图5.4所示，包括复位电路、Watchdog电路、掉电比较和备用电池切换电路四部分。图5.5为各信号时序图。图5.4 MAX690A/MA

5、X692A原理框图图5.5 MAX690A/MAX692A各信号时序图1）复位电路微处理器在上电、掉电及低压供电时，监控器发生复位脉冲信号，这可保证微处理器实现上电自动复位；当供电电压过低时，可防止CPU失控。2）Watchdog电路Watchdog电路是计数器式定时电路。 3）掉电比较器 掉电比较器可用于低电压的检测，若低电压过低，将发出一个低电平信号（PFO掉电比较器是一个完全独立的电路，也可以用来完成其他功能。 ）。4）备用电池切换电路切换电路原理如图5.6所示。 图中开关SW1SW4的状态受VCC和VBATT的控制，如表5-1所示。由表5-1和图5.6可知，当VCC高于复位门限电平或低

6、于复位门限电平但高于VBATT时，VOUT由VCC供电；当VCC低于复位门限电平，且又低于VBATT时，VOUT由VBATT供电。条件SW1/SW2SW3/SW4VCC复位电平门限VBATT断开关闭VCC复位电平门限 VCCVBATT断开关闭VCC复位电平门限 VCCVBATT关闭断开表5-1 开关状态表图5.6 电池切换原理图3MAX690A/MAX692A与单片机接口电路MAX690A/MAX692A自动监控典型电路如图5.7所示。 图5.7 MAX690A/MAX692A应用电路5.2.4 电源的抗干扰技术 1电源的干扰类型（1）电源线中的高频干扰（2）感性负载的产生和瞬变的噪声 （3）

7、晶闸管通断时所产生的干扰 （4）电网的短时下降干扰 （5）拉闸过程形成的高频干扰 2电源抗干扰的基本方法 电源抗干扰的基本途径有以下几点：（1）采用交流稳压器。 （2）电源滤波器。 图5.8 电感电容滤波器之一图5.9 电感电容滤波器之二 图5.10 交流电源滤波器图5.11 双绕组扼流圈的应用 （3）采用分立式供电。 （4）分类供电方式。 （5）电源变压器的屏蔽与隔离。利用静电屏蔽的一般原理和变压器的特殊性，可在变压器的初级绕组和次级绕组之间加屏蔽层。 图5.12 变压器及单层屏蔽为了提高干扰性能，可采用双重屏蔽，如图5.13所示。 图5.13 双重屏蔽 图5.14 二级稳压及低通滤波器电路

8、 （6）直流稳压电源采用交流进线滤波器。对工业现场外界干扰较大的场所，可考虑使用高性能进线滤波器，如图5.15所示。 图5.15 电源进线滤波器1计算机D/A转换卡隔离措施 首先将计算机的电源与焊机的电源分开，并且计算机的电源采用二次隔离屏蔽变压器，输入端用滤波器，它明显的优点是抗电网干扰能力强，很适合计算机控制系统。 一般干扰脉冲是相当窄的，因此在采用计算机转换卡（PCL-728）时，工作电源采用单独供电，并在工作电源和地线之间加一个高频滤波电容0.10.001 F，其原理框图见图5.16。 图5.16 PCL-728原理框图5.2.5 计算机接口电路隔离技术 在PCL-728芯片工作电压端

9、接入一个电阻R = 100200 做瞬间脉冲电流保护。在PIO和D/A之间增加光电隔离环节，并且光电隔离管的输入、输出回路的电源单独供电，与外部相接的电路由相应的外部电源供电，完全切断了主机与外部一切电的传输连接，使计算机“浮置”，见图5.17。 图5.17 计算机“浮置”示意图 为了提高整个系统的可靠性，可以通过光电耦合器将长导线完全“浮置”起来，见图5.18。 图5.18 传输长线的光耦浮置处理2数字信号的隔离图5.19为数字输入通道的光电隔离。图5.19 数字输入通道的光电隔离 3模拟信号的隔离在需要A/D，D/A的应用系统中，模拟信号的隔离器件有多种，常用的有差分放大器（隔离电压低），

10、V/F转换光电隔离电路（应用电路复杂）和隔离放大器（性能好但价格昂贵）等，如果系统的要求不是很高，则可采用如图5.20所示的光电耦合式隔离放大电路，此电路所用元件少，只要保证两个光电耦合器的特性尽量一致，就可以构成一个精度和线性度较高的隔离放大电路，其增益均等于R2/R1。图5.20 模拟信号的隔离放大电路5.3.1 软件冗余技术软件冗余技术1指令冗余（1）NOP的使用。（2）重要指令冗余。2数据冗余5.3.2 软件陷阱技术 1软件陷阱软件陷阱一般由3条指令组成：NOPNOPLJMP ERB2软件陷阱的设置1）未使用的中断区2）未使用的EPROM空间3）非EPROM芯片空间图5.21中74LS

11、08为四正门。图5.21 非EPROM区程序陷阱之一在图5.22中，当PC“跑飞”落入2000HFFFFH空间时，74LS244选通，读入数据为020202H，这是一条转移指令，使PC转入0202H入口，在主程序0202H设有出错处理程序。图5.22 非EPROM区程序陷阱之二4）运行程序区5）RAM数据保护的条件陷阱6）表格区5.3.3 软件软件“看门狗看门狗”技术技术软件“看门狗”通常由三部分组成：软件陷阱、软件复位和循环监控。5.3.5 数字滤波数字滤波 下面介绍几种常用的软件滤波方法1平滑滤波2中值滤波3限幅滤波4限速滤波5一阶递推数字滤波法6防脉冲干扰平均值滤波（复合滤波）5.4.1

12、 设计抗干扰电路设计抗干扰电路1复位电路和时钟电路抗干扰设计通常的复位电路采用的是RC复位电路，见图5.23（a）。使用MAX692A的复位电路如图5.23（b）所示。图5.23 单片机复位电路图5.24表明时钟信号中叠加噪声干扰后，会改变时钟分频信号，导致CPU工作时序发生紊乱。图5.24采用的是12MHz的晶体振荡器，单片机产生的最有影响的高频噪声大约是其时钟频率的3倍。图5.24 电磁波对时钟信号的干扰2交流电源电路抗干扰设计由于高频对供电线路的电磁干扰以及焊接电源通过电源供电线对电网的干扰，使电源网路中混入高频干扰信号。可通过低通滤波器予以滤除，低通滤波器的形式见图5.25。图5.25

13、 低通滤波器的电路形式滤波供电网络中的高频干扰信号，为了滤除滤波器输出端到弧长调节器电源变压器输入端之间供电线受高频干扰产生的干扰信号，在弧长调节器电源变压器初级进线处加接高频性能好、分布电感小的瓷介电容，见图5.26。为了消除电源变压器的分布电容的漏磁通过对弧长调节器第一级地运算放大器输入端的电磁干扰，对变压器的原、副边分别加屏蔽层，见图5.27。图5.27 电源变压器的屏蔽原理图图5.26 弧长调节器电源变压器进线高频电容示意图使用屏蔽时的接线方法见图5.28。图5.28 使用屏蔽时的接线方法在采用了上述方法的基础上，用11.5mm的铁皮将整个变压器包裹起来，形成一个屏蔽罩，仅仅把引线留在

14、外面，整流电路加接电容，对减小整个电源的绞波干扰作用很大，如图5.29所示，电容可选0.01F左右。图5.29 整流电路加接电容3电路直流电源抗干扰设计4组电源分别经过驱动变压器变压、整流、滤波和稳压后供给各个驱动模块使用，见图5.30。图5.30 电路供电电源抗干扰设计框图4机械开关触点抗干扰设计考虑到传输距离较长，采用光耦4N25，利用20mA电流环的原理进行信号传递，同时在光耦的输出和单片机的输入口之间接有施密特触发器，并接有滤波电容，如图5.31所示。图5.31 焊枪开关按键输入5交流弧压采样线路抗高频干扰设计弧长调节器的弧压信号通常采取的办法是将交流电压整流，经滤波后输出比较平滑的直

15、流波形，然后再送入比较器与给定电压比较，得出差值信号经放大，驱动电机上下转动，调节弧长，见图5.32。图5.32 交流弧长调节器弧压采样及电路原理框图我们采用SYNCROWAVE350电源内部高频滤波隔离电路，从电源内部选取电弧电压信号，既可避免另搭电路而产生的干扰，又可充分利用已有的焊接电源，抗高频干扰电路优势，使系统的布线更加紧凑、方便，减小高频对系统各部分的干扰，其电路原理见图5.33。由CR1输出的电压波形为焊接时交流全波整流电压波形，CR1的2、5脚输出的电弧电压信号采用双绞屏蔽线。也可以用霍尔元件对焊接电压进行隔离采样，见图5.34，实际应用效果良好。图5.33 弧压采样电路的高频

16、旁路图图5.34 弧压采样电路原理图5.4.2 抑制干扰源 1焊接电源接地抑制高频干扰2屏蔽噪声源3防止高频的空间电磁干扰5.4.3 削弱耦合通道 5.4.4 采用屏蔽双绞线 一般要求，若用一条线接地的双绞线作为脉冲电流传输线时，终端必须连接一个大于对称线路特性阻抗R0的电阻R1，见图5.35。图5.35 对称双绞线抗高频干扰当有两对或两对以上双绞线时，噪声电压变大，主要原因是：多对双绞线之间有互感、电容耦合、共阻抗等，见图5.36。图5.36 在不连续点产生感应噪声的原因双绞线有很强的抑制电磁感应干扰的能力，系统采用双绞线与光耦配合完成主控制板与送丝电路板之间的传输，如图5.37所示。图5.37 光电耦合器与双绞线联合使用5.4.5 合理布线合理布线 在整个自动TIG焊系统中，有各种各样的电源线、信号线、控制线和接地线，大概可以分为：干扰电路、一般线路和敏感电路等三个等级。在系统中，对于这三种有明显区别的不同等级的线路，最有效的处理措施是：使它们之间尽量远离；使它们之间垂直交叉、尽量避免敷设；尽可能采取屏蔽；使交流和直流线路严格分开；强电和弱电严格分开；不同电压和不同电流等级严