计算机控制技术第4章

1、第第4章章 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术 v 4.1 计算机控制系统主要干扰分析v 4.2 过程通道抗干扰技术v 4.3接地技术v 4.4 供电技术4.1 计算机控制系统主要干扰分析计算机控制系统主要干扰分析v v 4.1.1 干扰的来源v 4.1.2 干扰的传播途径v 4.1.3 过程通道中的干扰4.1.1 干扰的来源干扰的来源 干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的，对于计算机控制系统来说，干扰既可能来自系统外部，也可能来自系统内部。 外部干扰与系统结构无关，仅由使用条件和外部环境因素决定。内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺产生的。 外部干扰主要来自空间电场或磁

2、场的影响，如电气设备和输电线发出的电磁场，太阳或其他星球辐射的电磁波，通信广播发射的无线电波，雷电，火花放电、弧光放电等放电现象等。 内部干扰主要有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，装置及设备中各种寄生振荡引起的干扰，热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引起的干扰以及元器件产生的噪声等。图4.1 外部干扰环境4.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径v 干扰传播的途径主要有三种，即静电耦合，磁场耦合与公共阻抗耦合。 v静电耦合静电耦合v 静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其他线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制

3、线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。 v磁场耦合磁场耦合 v 空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰，还有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰。 v公共阻抗耦合公共阻抗耦合v 公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。 4.1.3 过程通道中的干扰过程通道中的干扰v串模干扰串模干扰v 串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，即干扰串联在信号源回路中。 图4.5 串模干扰v共模干扰

4、共模干扰v 共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压。 图4.6 共模干扰v长线传输干扰长线传输干扰v 由生产现场到计算机的连线往往长达数百米，甚至几千米。v 信号在长线中传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能会产生波反射现象。v 当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波。v 如果传输线的终端阻抗与传输线的阻抗不匹配，入射波到达终端时会引起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗不匹配，又会引起新的反射，使信号波形严重畸变。 4.2 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术

5、v 4.2.1 串模干扰的抑制v 4.2.2 共模干扰的抑制v 4.2.3 长线传输干扰的抑制4.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制v 对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直接与信号Us串联。串模干扰的抑制方法应从干扰信号的特性和来源入手，采取相应的措施，目前常用的措施有用双纹线和滤波器两种。v用双绞线作信号线用双绞线作信号线v 串模干扰主要来自空间电磁场，采用双绞线作信号的目的就是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。 v滤波滤波v 采用滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。v 根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，可以选用低通、高通、带通等滤波器。v 如果串模干扰频率

6、比被测信号频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰；v 如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；v 如果串模干扰频率在被测信号频谱的两侧，则采用带通滤波器。图4.7 滤波电路4.2.2共模干扰的抑制共模干扰的抑制v 共模干扰产生的原因：v 不同“地”之间存在的电压；v 模拟信号系统对地的漏阻抗引起的电压。v 共模干扰电压的抑制：有效隔离两个地之间的电联系。 v变压器隔离变压器隔离v 利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开的方法称为变压器隔离。 v光电隔离v 光电隔离是目前计算机控制系统中最常用的一种抗干扰方法，它使用光

7、电耦合器来完成隔离任务。v浮地屏蔽v 浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模拟地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压在输入回路中引起的共模电流大为减少，从而抑制共模干扰的来源，使共模干扰降至很低的方法。 图4.9 浮地输入双层屏蔽放大电路4.2.3长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制v终端阻抗匹配v 终端匹配方法如图4.10(a)、4.10（(b)所示。图4.10 两种终端阻抗匹配电路RRP 1212RRRR Rv始端阻抗匹配v 在传输线始端串入电阻，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。如图4.11所示。v 始端电阻 RRp一Rscv 式中，Rsc为门A输出低电平时的输出阻抗。图4.11

8、 始端阻抗匹配4.3 接地技术接地技术v 4.3.1 地线系统分析v 4.3.2 计算机控制系统输入环节的接地v 4.3.3 主机系统的接地4.3.1地线系统分析地线系统分析v 广义的接地包含两个方面，即接实地和接虚地。v 接实地指的是与大地连接。v 接虚地指的是与电位基准点近接，若这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接。v 接地的目的：v 一是保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，这常称为工作接地；v 二是避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降而遭受触电危险和保证设备的安全、这称为保护接地。v接地分类接地分类v 安全接地：分为保护接地、保护接零两种形式。v 保护接地就是将电气设备在

9、正常情况下不带电的金属外壳与大地之间用良好的金属连接。如电脑机箱的接地。v 保护接零指用电设备外壳接到零线，当一相绝缘损坏与外壳相连，则由该相、设备外壳、零线形成闭合回路。 v 工作接地：是为电路正常工作而提供的一个基准电位。这个基准电位一般设定为零。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等，一般是控制回路直流电源的负端。v 工作接地有三种方式：浮地方式、直接接地方式、电容接地方式。v 浮地方式：设备的整个地线系统和大地之间无导体连接，以悬浮的“地”作为系统的参考电平。 v 直接接地方式：设备的地线系统与大地之间良好连接。 v 电容接地方式：即通过电容把设备的地线与大地相连。 v

10、 屏蔽接地v 为了抑制变化电场的干扰，计算机控制装置以及电子设备中广泛采用屏蔽保护。如变压器的初、次级间的屏蔽层，功能器件或线路的屏蔽罩等。v 屏蔽接地指屏蔽用的导体与大地之间的良好连接。目的是为了充分抑制静电感应和电磁感应的干扰。v接地技术v 浮地屏蔽接地v 计算机测控系统中，常采用数字电子装置和模拟电子装置的工作基准地浮空，而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。 v 一点接地v 一点接地技术又有串联一点接地和并联一点接地两种形式 。图4.12一点接地的两种方法v 多点接地v 将地线用汇流排代替，所有的地线均接至汇流排上。这样连接时，地线长度较短，减少了地线感抗。尤其在高频电路中，地线越长，其中的感

11、抗分量越大，而采用一点接地技术的地线长度较长，所以高频电路中，宜采用多点接地技术。v 屏蔽接地v 低频电路电缆的屏蔽层接地：电缆的屏蔽层接地应采用单点接地的方式，屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，但各屏蔽层应相互绝缘。v 高频电路电缆的屏蔽层接地：高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。高频电路的信号在传递中会产生严重的电磁辐射，数字信号的传输会严重地衰减，如果没有良好的屏蔽，会使数字信号产生错误。 v 系统的屏蔽层接地：当整个系统需要抵抗外界电磁干扰，或需要防止系统对外界产生电磁干扰时，应将整个系统屏蔽起来，并将屏蔽体接到系统地上。例如电脑的

12、机箱等。 v 设备接地v 50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处，对于独立的设备，安全接地螺栓设在设备金属外壳上，并有良好电气连接；为防止机壳带电，危及人身安全，绝对不允许用电源零线作地线代替机壳地线。 v 为防止高电压、大电流和强功率电路（如继电器电路等）对低电压电路（如高频电路等）的干扰，一定要将它们分开接地，并保证接地点之间的距离。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地），信号地分为数字地和模拟地，数字地与模拟地要分开接地，最好采用单独电源供电并分别接地，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。4.3.2 计算机控制系统输入环节的接地计算机控制系统输入环节的接地v 在计算机控制系统的输

13、入环节中，传感器、变送器、放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往采用屏蔽线。屏蔽层的接地也采用单点接地的原则。输人信号源的地有接地和浮地两种情况，相应的接地电路也有两种情况。 图4.13输入环节的接地方式4.3.3 主机系统的接地主机系统的接地v (1)主机一点接地v 计算机控制系统的主机架内采用分别回流法接地方式。主机与外部设各地的连接采用一点连接。 图4.14主机一点接地v (2)主机外壳接地，机芯浮空v 为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳当作屏蔽罩接地，而机芯内器件架空与外壳绝缘隔离，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空。 图4.15 主机外壳接地机芯浮空(3)多机系统的接地4.4

14、供电技术供电技术v 4.4.1 交流电源环节抗干扰技术v 4.4.2 直流电源环节抗干扰技术v 计算机控制系统常用的供电结构如图4.16所示。 v 供电系统分为交流电源环节和直流电源环节。 图4.16计算机控制系统常用的供电结构4.4.1 交流电源环节抗干扰技术交流电源环节抗干扰技术v1选用供电较为稳定的交流电源选用供电较为稳定的交流电源v 计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、功率器件多或者有高频设备的电源上。v2利用干扰抑制器消除尖峰干扰利用干扰抑制器消除尖峰干扰v 干扰抑制器是一种四端网络、使用简单。v3采用交流稳压器和低通滤波器稳定电

15、网电压采用交流稳压器和低通滤波器稳定电网电压v 采用交流稳压器是为了抑制电网电压的波动，提高计算机控制系统的稳定性，交流稳压器能把输出波形畸变控制在5以内，还可以对负载短路起限流保护作用。低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证50Hz基波通过。v4利用不间断电源保证不间断供电利用不间断电源保证不间断供电4.4.2 直流电源环节抗干扰技术直流电源环节抗干扰技术v1交流电源变压器的屏蔽交流电源变压器的屏蔽v 将电源变压器的原级、副级分别加以屏蔽，原级的屏蔽层与铁芯同时接地。在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽的结构。v2采用开关电源采用开关电源v 直流开关电源即采用功率器件获得直流电的电源，为脉宽调制型电源，通常脉冲频率可达20kHz，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压变化大，电网电压变化时不会输出过电压或欠电压，输出电压保持时间长等优点。并关电源原级、副级之间具有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。v3