第10章微机控制系统的可靠性课件

1、第10章 微机控制系统的可靠性与抗干扰技术 7/19/2022概述计算机控制系统运行环境往往比较恶劣和复杂,不仅环境温度变化大、湿度大,有粉尘、振动和腐蚀气体,而且周围还有电气干扰,这些都会影响到系统的正常工作,轻则影响控制精度,重则使系统失灵瘫痪。计算机控制系统通常要求长期连续工作,不能随意关机、复位或重新启动。 7/19/2022概述干扰信号出现时,系统应能抑制干扰的影响;数据被干扰破坏时,系统应能及时发现并能纠正;系统内部或外部出现异常情况时,应能及时给出报警信息;当干扰导致程序脱离正常运行或进入死循环,应能及时发现并强制进入正常程序人口或进行系统复位。7/19/2022概述可靠性要求对

2、计算机控制系统来说至关重要,而抗干扰技术是提高可靠性的一项关键技术,可以说没有采取抗干扰措施的控制系统是根本不能投入实际使用的。 7/19/202210.1 可靠性与抗干扰技术基本概念10.1.1 可靠性的概念7/19/20221.可靠性(Reliability)定义 控制系统的可靠性通常是指在一定条件下,在规定时间段完成规定功能的能力。一定的条件：包括环境条件(如温度、湿度、粉尘、气体、振动、电磁干扰等)工作条件(如电源电压、频率允许波动的范围、负载阻抗、允许连接的用户终端数等)操作和维护条件(如开机关机过程、正常操作步骤、维修时间和次数等)。 7/19/2022可靠性规定的时间: 是可靠性

3、的重要特征,常以数学形式表示可靠性的基本参量,如可靠度、失效率、平均故障间隔时间(MTBF:Mean Time Between Failures)、平均维护时间(MTTR:Mean Time to Repair)等规定的功能:是指控制系统能完成任务的各项性能指标。对于不同的系统,规定的功能是不同的,如对温度控制系统,规定的功能有温度控制范围、控制精度和过渡过程时间等。7/19/2022可靠性影响系统完成规定功能的干扰因素有多种外部因素有温度、湿度、振动、电源的波动、电磁干扰、操作失误、维修时间超期等;内部因素有器件的偶发性失效、长时间使用后性能老化以及经过试验未能发现的软件与硬件缺陷等 7/1

4、9/20222.错误(Error)和故障(Failure) 在干扰的作用下,系统会产生非正常工作状态,也称异常状态。瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态,称之为错误,错误不经停机修理也可恢复到正常工作状态;固定性的、功能部件其必要操作能消失的异常状态,称之为故障,故障只有通过修理才能恢复到正常状态。 7/19/2022错误(Error)和故障(Failure)错误的自动检测、纠正和指示,对控制系统来说非常重要。为了消除错误对系统影响,可采用一些有效方法:增设抗干扰电路,消除来自电源、信号、空间的电磁干扰;通过附加冗余码实现自动检错、纠错等故障按其发生时期通常分为:早期故障耗损故障偶发故障 7/1

5、9/2022早期故障由于元器件质量差,软件、硬件设计欠完善等原因所造成的,可通过系统试运行,更换质量不好的元器件、修改硬件电路、改正软件错误来排除早期故障。 7/19/2022耗损故障 由于元器件使用寿命已到所致。如果已知元器件使用寿命的统计分布规律,那么,预先更换元器件,就可防止耗损故障的发生。另外,定期检查或更换关键元件和部件,也可防止耗损故障的发生。 7/19/2022偶发故障 随机的,通常发生于早期故障和耗损故障之间,在故障发生后,需进行应急维修。7/19/2022说明由于故障的发生(特别是偶发故障的发生)既难以预见又不可避免,为尽可能减少由于故障发生所造成的损失,尽快恢复系统正常工作

6、,就需要采取故障恢复技术,如要使系统仍然继续运行,需要采取特殊措施,这也是可靠性技术应研究的课题。 7/19/2022综上所述 可靠性的概念有两层含义:一是系统在规定的时间内尽可能减少故障和错误的发生二是发生了故障和错误后能迅速进行维修,尽快恢复正常工作。若考虑人为的干扰因素,如控制系统中有关数据和程序的非法窃取、修改等,则安全性也属于系统可靠性应考虑的内容。 7/19/202210.1.3 电磁兼容性 7/19/20221.电磁兼容性的概念 电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存的程度。国际电工委员

7、会(IEC)对EMC的定义是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 7/19/2022研究电磁兼容的目的是为了保证电器设备或系统在电磁环境中具有正常工作的能力,以及掌握电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。 7/19/2022电磁兼容实际有两方面的含义一方面是设备或系统产生的电磁骚扰,不应对周围设备造成不能承受的干扰,也不应对周围环境造成不能承受的“污染”一方面是设备或系统对来自周围环境中的电磁干扰,应具有足够的抗御能力 7/19/2022随着计算机技术、通信技术、自动化控制技术以及电子技术的广泛应用,电磁兼容成为世界工业技术

8、的热点问题。电子产品在方便人们的同时,对社会生产活动和人体健康也带来了一系列不利的影响。电子元件几乎在所有的设备中都存在,而它们越来越趋于在极微弱的信号下工作,且信号工作频率越来越高,动作时间越来越短,因而更容易受外界电磁场的干扰。电子产品的广泛使用,也意味着电磁发射源也越来越多,而高能量、高频率的发射源使干扰信号不断增强,这些电磁辐射不仅对电子设备本身有干扰作用,更严重的是电磁辐射会对人体健康造成不良影响。 讨论电磁辐射污染也已被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一清洁电磁环境,保证电工、电子产品正常工作已受到世界范围的普遍关注。解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始,并贯穿于整个产品

9、或系统的生产全过程。电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰机制的研究,从干扰源处限制电磁发射是治本的方法,切断电磁噪声的传播途径是提高抗干扰能力的重要手段。 2. 电磁兼容标准 电磁兼容技术的迅速发展,也剌激了对电磁兼容标准化工作的需求。许多国家在EMC技术的研究、标准的制定、EMC测试及认证方面做了不少工作欧共体成员国关于EMC法律性指令(89/336/EEC指令)要求所有投放市场的电工电子产品,均要求进行EMC认证,认证合格后,贴上CE标志。美国联邦通信委员会(Federal communications Commission,FCC)颁布了一系列有关EMC的法规,并进行这方面的管理,对于通信

10、发射机、接收机、电视机、计算机、各种医疗设备均有相应的法律要求。任何想出口到美国的这些设备必须取得FCC的某种形式的认可。 EC专门从事电磁兼容标准化工作的有两个技术委员会国际无线电干扰特别委员会(CISPR)第77技术委员会(TC77)我国的EMC测试及标准化我国的EMC测试及标准化工作是20世纪60年代起步的。对应于CISPR成立了全国无线电干扰标准化技术委员会对应TC77成立了全国电磁兼容标准化联合工作组以促进电磁兼容EMC研究和标准化工作。随着EMC标准化工作的进行,其认证工作作为市场经济发展到一个比较成熟的阶段的产物,就如安全认证和环境保护的绿色认证一样,EMC认证也将是产品的一个重

11、要质量标志。 我国EMC的国家标准见表3.常用名词说明 噪声与干扰(Noise & Interfering) 噪声是一种明显不传送信息的信号,它可与有用信号叠加或组合,并使有用信号发生畸变。噪声会损害有用信号的接收,并可引起装置、设备或系统性能降低,甚至不能正常工作,具有危害性的噪声称干扰。噪声与干扰有时也不严格区分,一般在讨论对有用信号影响程度时,多用噪声一词,而讨论危害作用时,多用干扰一词。 2) 电磁骚扰和电磁干扰(Electromagnetic disturbance & Electromagnetic interference) 电磁骚扰泛指对装置、设备、系统或者有生命物体产生损害作

12、用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。电磁干扰(简称EMI)是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。 3)噪声源与受扰体(Noise source & Susceptor) 噪声源就是产生噪声的主体,也称干扰源如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源,其用数学描述的特征是(du/dt)或(di/dt)较大的地方都可能是干扰源。受扰体就是受到干扰危害的装置、设备或系统,受扰体亦称受干扰对象或干扰对象,受扰体通常对噪声有较高敏感性(susceptibility) 如A/D、D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等,都可以是受扰体。4)

13、 耦合与耦合途径(Coupling & Coupling Paths) 耦合泛指系统间或一个系统的各部分之间相互作用而彼此发生关联的现象此处主要指干扰源与受扰体之间通过电或磁产生联系的现象,它通常决定了受扰体受到干扰的方式。耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时,电磁能量的传输介质,亦称耦合通道。耦合途径主要有传导、感应和辐射。 5) 传导与辐射(Conduction & Radiation) 传导是通过导线传播电磁能量的耦合方式,具体有电导耦合、电感耦合、电容耦合、公共阻抗耦合等。辐射是通过自由空间传播电磁能量的耦合方式。 6)系统间干扰和系统内干扰(Inter-system interfer

14、ence & Intra-system interference) 系统间干扰是指由其他系统对一个系统造成的电磁干扰。系统内干扰是指系统中出现的由本系统内部电磁骚扰(Disturbance)引起的电磁干扰。 7)内部抗扰性和外部抗扰性(Internal immunity & External immunity) 内部抗扰性是指装置、设备或系统在其输入或天线处存在电磁骚扰时能正常工作而性能没有降低的能力。外部抗扰性是指装置、设备或系统在电磁骚扰经由除常规输入端或天线以外的途径侵入情况下,能正常工作而性能没有降低的能力。 4.产生干扰的必要条件 由噪声(或电磁骚扰)干扰引起设备或系统性能下降现象的

15、产生,必须满足4个条件:噪声的发生(即有噪声源的存在)噪声的接收(即有受扰体的存在)噪声的传播(即有耦合途径的存在)以及上述三者在时间上的一致性只要破坏上述4个条件中时间上的一致性任何一个,干扰现象就能消除。上述4个条件也可看成EMC的4个要素 EMC的4个要素如图10-1所示由于噪声源和受扰体通常是客观存在的,很难消除,只能通过减少噪声源的发射能量,降低受扰体敏感度来达到消除干扰的目的切断噪声从噪声源到受扰体的耦合途径是消除干扰的常用方法调整噪声的产生、传播和接收的时间关系,有时也能起到事半功倍的效果 10.1.3 噪声的分类和耦合方式 1.噪声分类 噪声的种类繁多,下面按噪声产生的位置、原

16、因、传导模式以及波形来分类 1) 按噪声产生的位置分类 按噪声产生的位置可分内部噪声和外部噪声内部噪声是指装置内部或器件本身产生的噪声外部噪声是指从外部侵入装置或系统的噪声,主要有自然噪声和人为噪声二类 自然噪声包括大气噪声、太阳噪声等。大气噪声如雷电、火花放电、台风、火山喷烟、黄砂、飞雪等。其中雷电是经常遇到的,它从较低频率(数千赫兹)到VHF射频段(30300MHz)或更高的频段内产生干扰,并能传到相当远的距离。太阳噪声是由于太阳黑子或磁暴发射出的电磁噪声,其强度与黑子活动的激烈程度有关 人为噪声来自其他机器和设备的噪声,如: 有触点的家用电器和民用设备电冰箱、电费斗、电磁开关、继电器等;

17、使用整流子电动机的机器电钻、电动刮胡刀、电按摩器、吸尘器、电动搅拌机、牙科医疗器械;家用电力半导体器件装置硅整流调光器、开关电源等;工业用高频设备塑料热合机、高频加热器、高频电焊机等;高频医疗设备甚高频或超高频理疗装置、高频手术刀、电测仪、X光机等;电力传动设备各种直流、交流伺服电动机、步进电机、电磁阀、接触器等;电力电子器件组成的变流装置可控整流器、逆变器、变频器、斩波器、交流调压器、UPS电源、高频开关电源等 电力传输设备高压电力传输线、高压断路器、变压器等;内燃机中的点火系统、发电机、电压调节器、电刷等;无线电发射和接收设备移动通信系统、广播、电视、雷达、导航设备等;高速数字电路设备计算

18、机及其相关设备等 2) 按噪声产生的原因分类 噪声产生的原因非常多,按其分类有热噪声、接触噪声、放电噪声、高频振荡噪声、感应噪声、反射噪声、浪涌噪声、辐射噪声等 热噪声是由导体、半导体和电阻中电子热骚动所形成的电子噪声,由于电子热运动具有随机性质,所以热噪声电压也具有随机性质,而且它几乎覆盖整个频谱。 接触噪声是由两种材料之间的不完全接触,形成电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方,如继电器的接点、电位器的滑动接点以及接线柱和虚焊处。 放电噪声主要由雷电、静电、电机电刷和大功率开关触点断开等放电现象产生的。 高频振荡噪声主要由感应电炉、开关电源、逆变器、高频加热器、超声波设备以及电路

19、内部反馈引起的高频自激振荡所产生。 感应噪声是由于器件布局、配线或接地不当所产生的静电感应、电磁感应噪声。 工频噪声是由电源整流电路滤波不佳、变压器漏磁通感应分量,以及大地漏电等导致有用信号中混入交流分量所产生的交流噪声。 反射噪声是高速电路长线传输时,由于阻抗不匹配,发生信号传输反射,引起信号波形畸变所形成的。浪涌噪声是由大功率设备、晶闸管变流器和电动机启动产生涌流所造成的。 辐射噪声是由大功率发射装置、接收装置(如广播设备、雷达、发报机、电视机、调频机、调幅机等)产生的噪声,并通过空间辐射形式影响装置或设备。 3) 按噪声传导模式分类 按噪声传导模式可分为:常模噪声共模噪声 常模噪声又称差

20、动噪声、串模噪声、横向噪声、线间感应噪声或对称噪声等常模噪声与有用信号串在一起,噪声电流iN与有用信号电流is在线路中的流向是一致的,噪声电压uN始终叠加在信号电压us上,如图(a)所示,这种噪声往往较难清除。当噪声的频率范围与有用信号相差较大时,可采用滤波方法来抑制。 共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。噪声电流iN在一对信号线上各流过一部分,以地为公共回路,只要线路处于平衡状态,即两根信号线对地阻抗一致时(Z1=Z2),则在两根信号线间产生的噪声电压uN基本为0 共模噪声不会对有用信号产生影响,如图(b)所示。线路不平衡,即两根信号线对地阻抗不一致时(Z1Z2),噪声电压uN就不

21、为0,相当于在两根信号线存在常模噪声,如图(c)所示。通常输入/输出信号线与大地或机壳之间的噪声都为共模噪声,信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法较多,如隔离、屏蔽、接地等。 4) 按噪声波形分类 图10-3所示为典型的噪声波形有:连续的正弦波偶发的脉冲波周期性的脉冲波对连续正弦波噪声,可用幅值Um、持续时间ts和振荡频率fn等特征值来描述对偶发脉冲波噪声,可用最大幅度Um 、上升时间tr、脉冲宽度tp等特征值来描述;周期性脉冲波噪声,可用最大幅度Um、脉冲宽度tp、脉冲间隔时间ts等特征值来描述。根据噪声波形与有用信号的特征值,才能确定采用具体消除噪声的措施。 2. 噪声的藕合方式 噪声的耦合方式主要有公共阻抗耦合直接耦合电容耦合电磁感应耦合漏电耦合辐射耦合1) 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是噪声源和信号处理电路具有公共阻抗时的传导耦合。常见的情况是信号处理电路和信号输出电路使用公共电源,而电源不是内阻为零的理想电压源,电源内阻就成为了公共阻抗Zc,信号输出电路中的电流变化就会在公共阻抗上产生噪声信号,并通过电源线干扰信号处理电路,如图10-4所示。为了防止公共阻抗耦合,应使耦合阻抗趋近于零,通过去耦电路可减少公共阻抗耦合引起的干扰