抗干扰培训教材课件

控制系统抗干扰技术概述Technicaloutlineforprotectionagainstdisturbanceofcontrolsystem11抗干扰问题提出的背景

电子管的工作电压：250Vac

晶体管的工作电压：24Vdc

随着微电子技术的发展和系统集成化程度的提高，大规模集成芯片内单位面积的元件数越来越多，所传递的信号电流也越来越小，系统的供电电压也越来越低，现已降到5V、3V乃至1.8V。因此，芯片对外界的噪声也越趋敏感，所以显示出来的抗干扰能力也就很低。2

当前是信息社会，电磁环境日趋复杂：电气、电子设备量猛增，频带日益加宽，功率越来越大，传输速率越来越高。所以，受电磁干扰的威胁也日趋势增大。

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欲提高控制系统的抗干扰能力，除了在设计系统本身的电子线路、结构以及软件时应于考虑的各项抗干扰措施外，更重要的是如何提高控制系统在工程应用中的抗干扰技术。

控制系统的抗干扰问题，不可能期望仅通过提高控制系统的抗干扰能力来解决。52噪声和干扰

对有用信号以外的所有电子信号总称为噪声。按噪声的来源可以将噪声源分成三大类：1）本征噪声源，其来源于物理系统内部的随机波动，例如热噪声等；2）人为噪声源，例如电机、开关、数字电子设备、无线电发射装置等在运行过程中所带来的噪声；3）自然界干扰引起的噪声，例如雷击和太阳的黑子活动等。6

本征噪声为内部噪声，人为噪声和自然界干扰引起的噪声均为外部噪声（本书讨论的是对外部噪声的抑制）。人为噪声源又可分成有意发射噪声源和无意发射噪声源。所谓有意发射噪声源是专用于辐射电磁能的设备，如广播、电视、通讯等发射设备，是通过向空间发射有用信号的电磁能量来工作的，它们会对不需要这些信号的控制系统构成干扰。但也有许多装置无意地在发射电磁能量，如汽车的点火系统、电焊机、钠灯和日光灯等照明设备以及电机设备等。它们可能通过传导、辐射向控制系统发射电磁能以干扰系统的正常运行。7按噪声的频率范围分类名称频率范围典型的噪声源工频和音频噪声50Hz及其谐波输电线、工频用电设备甚低频噪声30kHz以下首次雷击载频噪声10kHz～300kHz高压直流输电高次谐波、交流输电高次谐波

射频、视频噪声300kHz～300MHz钠灯和日光灯等照明设备、图像监控系统、对讲机、直流开关电源

微波噪声300MHz～100GHz微波通信、微波炉

8何谓干扰？

当噪声电压大到足够大时，足以在接收中造成骚扰使一个电路产生误操作，这就是一个干扰。

噪声是一种电子信号，它是不能消除的，而只能在量级上尽量减小直到不再引起干扰。而干扰是指某种效应，是由于噪声对电路造成的一种不良反应。所以电路中存在着噪声，但不一定形成干扰。10抑制干扰的三种基本方法：1）尽量将客观存在的噪声源的强度在发生处进行抑制，这是最有效的方法。但是并非所有的噪声源都可以抑制的，如雷击、无线电天线发射等。2）提高感受体对干扰的抗扰度，这取决于系统本身的抗干扰能力。3）减小或拦截通过耦合路径噪声的传输量，即减少耦合路径上噪声的传输量。

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传导和辐射是噪声的基本耦合途径。

在这种情况下，不大可能对噪声源采用更多的抑制措施。因而只能通过抑制耦合路径的方式来消除干扰：减小通过导线传导到电动机控制电路的噪声量（隔离和滤波）；屏蔽来自导线的辐射噪声。

144噪声的耦合途经

从物理概念上说，噪声的传播途经大致有五种：导线直接传导耦合；经公共阻抗的耦合；电容性耦合；电感性耦合；电磁场耦合。15导线直接传导耦合

所谓的导线直接传导耦合系指噪声是通过信号线和交、直流电源线以及通信线等将信号源或电源里夹带的噪声直接传导给电路。这种耦合是最常见的，如串模干扰都属此例。抑制此类噪声的最基本方法就是避免导线拾取噪声，或者在它干扰敏感电路前用去耦或滤波（包括数字滤波）的方式消除噪声。16

公共阻抗耦合电路

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最常见的公共阻抗耦合例子：接地系统。减小公共阻抗耦合的基本方法：减小公共阻抗的阻值。18

严格地说，有关噪声问题的求解，需要通过麦克斯韦方程组才能得到，该方程组是三个空间变量（x、y、z）和时间（t）的函数。这样，问题就变得非常复杂，非一般工程技术人员能够接受和理解。为此，在本书里，我们还是采用“电路”的理论用集中参数来近似地求解。所以我们采取了如下的假设：1）用一个连接在两导体间的电容来表示两导体间存在的一个随时间变化的电场；2）用一个连接在两导体间的互感来表示两导体互相耦合的一个随时间变化的磁场；205串模干扰和共模干扰

按干扰源VC和信号源VS的连接关系，或者说按干扰源VC对电路的作用形态有串模干扰和共模干扰之分。所谓串模干扰就是干扰源Vc串联于信号源Vs之中。或者简单地认为干扰源Vc和信号源Vs是迭加在一起的。在输入回路中干扰源Vc与信号源Vs所处的地位完全相同。串模干扰也称横向干扰或差模干扰。21

串模干扰源自于：

1）信号线受空间电磁辐射的感应；

2）通过变送器的供电电源串入的电网干扰；

3）信号源本身产生的干扰。23

放大器的地和信号源的地之间由于地电平的差异所形成的干扰称共模干扰，或谓出现在测量电路端子和地之间的一种干扰形式，也称纵向干扰或共态干扰。这种干扰（地电位差）在实际测量中是普遍存在的，根据干扰环境、被测信号源和测量系统的距离等因素，这地电位差一般可以达几伏、十几伏甚至100V以上，在雷击时甚至可达数十万伏以上的浪涌电压。24双端对地输入系统26

该图所示的双端对地系统，共模干扰并不直接影响电路的，它是通过输入电路的不对称转化成串模电压造成干扰的。如果仅考虑共模干扰,即信号为零时,那么作用在Z5上的电压为:27

如果电路对称,即Z1=Z2,Z3=Z4,则V=O；一般电路做不到完全对称，所以V不等于零，所以共模干扰就对测量系统产生影响。衡量一个测量控制系统的抗串模噪声和抗共模噪声的能力，可以用串模干扰抑制比SMRR和共模干扰抑制比CMRR来表示。

式中：Uc——共模干扰的交流峰值电压，单位伏特；

ΔU——施加共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位伏特。28串模干扰和共模干扰的试验值30名称信号量程共模干扰电压串模干扰电压电流信号输入（4-20）mA250Vac,50Hz（353．5V峰值）1VAC，50HZ（1.414V峰值））

(0-10)mA电压信号输入（0-5）V（0-20）mV50mV,50HZ(0.0707V峰值）)

（0-100）mV热电阻信号输入Pt100Cu50对国家标准的一点质疑

有些标准,如〈〈GB/T13639-2008工业过程测量和控制系统用模拟输入数字式指示仪〉〉（下简称“《GB/T13639》”）对模拟输入数字式指示仪应具备的共模干扰和串模干扰的抑制能力作了如下的规定:共模干扰抑制比CMRR≥120dB；串模干扰抑制比SMRR≥40dB。不考虑数字式指示仪的电量程F.S和精确度等级a，而泛泛地采用统一的共模干扰抑制比CMRR≥120dB和串模干扰抑制比SMRR≥40dB来表示指示仪应具备的抗干扰能力是不恰当的。下面就此问题展开讨论，并将讨论问题的范围扩展到所有的模拟量输入装置。31

设模拟量输入装置的精确度等级为a，在“影响量”共模干扰Uc或串模干扰Us的作用下，信号测量示值会发生偏差,设该偏差所对应的电量值为△U，如满足下式的要求:

（△U/F.S）×100%≤a%

我们认为该模拟量输入装置抑制共模干扰或串模干扰的能力是符合要求的。32

现我们以共模干扰抑制比CMRR为例来进行讨论。如果按《GB/T13639》的规定，模拟量输入装置的共模干扰抑制比CMRR应大于等于120dB，则根据前式就可得:

由于共模干扰的试验电压Uc是一定的（353．5V峰值）,从而就可按上式计算出一个ΔU,这个ΔU是模拟量输入装置在施加共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化（单位伏特）,且满足CMRR大于等于120dB的理论值。整理后可得:

ΔU≤Uc╳10-6(伏特)33

现在我们来讨论这个ΔU能否满足上式规定的要求。当Uc=353.5V时，按上式计算可得：

ΔU≤Uc╳10-6=353.5╳10-6=0.354（mV）如果信号电量程F.S=5V,准确度等级a=0.1，代入上式得：（ΔU/F.S）╳100%=（0.354mV/5000mV）╳100%=0.007%＜a%=0.1%

即远小于a%，不但符合上式的要求，也说明作为指标值，CMRR还可以再小一点。34

如果信号电量程F.S=100mV,准确度等级a=0.1，代入前式得：

（ΔU/F.S）╳100%=（0.354mV/100mV）╳100%=0.354%＞a%=0.1%即大于a%，则不符合上式的要求，从而说明，作为指标值，CMRR=120dB不能满足要求。35

显然,按式ΔU≤Uc╳10-6计算出来的ΔU能否满足上式的要求,必须要考虑模拟量输入装置的测量精确度等级a以及对应的信号电量程F.S。同理，对串模干扰抑制比的讨论也一样。这就说明一台模拟量输入装置，允许的ΔU是和它的测量精确度等级以及对应的信号电量程有关。也就是说，不同的精确度等级以及不同电量程的模拟量输入装置，其共模干扰抑制比CMRR和串模干扰抑制比SMRR的指标值应该是不一样的。36关于CMRR指标值和SMRR指标值的计算方法

由前式（△U/F.S）×100%≤a%可得：

△U≤a%×F.S

分别代入前式，可得：

(dB)

(dB)37CMRR和SMRR的指标值38序

电量程F.S

精确度等级a

共模干扰试验电压Uc

CMRR指标值

串模干扰试验电压Us

SMRR指标值10～5V

0.1250Vac,50Hz（353．5V峰值）

≥105

1VAC，50HZ（1.414V峰值）

≥55

20.2≥100≥5030～20mV0.2≥140100mVAC,50HZ(0.1414V峰值)≥7540.5≥135≥7051.0≥130≥6060～100mV0.1≥135≥7070.2≥130≥60一点建议

如直接采用前式的形式，即

（△U/F.S）×100%≤a%

对于高精度、小量程(指信号电量程)的模拟量输入装置,一般难以达到上式的要求，此时，可以降低测量精度偏差的要求，即可以将上式放宽到

（△U/F.S）×100%≤1.5a%甚至

（△U/F.S）×100%≤2.0a%396电磁兼容性设计

电磁兼容性（EMC）指的是电子式控制系统的一种性能：1）在可能的电磁环境中，系统仍然具有正常的工作能力；2）不会成为环境中的一个电磁污染源。一般用“抗扰度”来衡量控制系统在电磁环境下的抗干扰能力；用“发射”来表明对环境的电磁污染。40

由于各种电磁干扰都是一种复杂多变的随机过程，难以重复，为了有效地对其干扰效应和危害进行正确的评估，《IEC61000-4电磁兼容试验和测量技术》把系统在工程应用中常见的电磁干扰按其性质进行分类，并对这些干扰的试验模型和试验等级作了相应的规定。不同的试验等级表示不同的抗扰度电平。

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相对于各种电磁干扰，一个系统应有相应的抗扰度指标，包括：电压短时中断和电压变化抗扰度；电快速瞬变脉冲群抗扰度；浪涌（冲击）抗扰度；静电抗扰度；工频磁场抗扰度；脉冲磁场抗扰度；射频电磁场辐射抗扰度；射频场感应的传导骚扰抗扰度等。42阻尼振荡磁场抗扰度；振荡波抗扰度；工频频率变化抗扰度；直流电源输入端口纹波抗扰度；交流电源端口谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度等。（《IEC61000-4电磁兼容试验和测量技术》共规定了28项。）435.1电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度

所谓“电压暂降”系指在供电电压突然下降，经历了半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常。所谓“短时中断”系指供电电压消失一段时间，短时中断也可认为是100%幅值的电压瞬时跌落。所谓“电压变化”系指供电电压逐渐变得高于或者低于额定电压。变化的持续时间相对于周期来说，可长可短。44老标准（IEC61000-4-11:1994）

与低压电网连接的控制系统，由于供电电网、变电设备发生故障，或由于负荷突然发生大的变动乃至负荷连续变化，直至系统备用电源的切换均能引起电压暂降、短时中断和电压变化。

试验等级电压暂降和短时中断，%UT持续时间，（周期）01000.5、1、5、10、25、50（对50Hz的电源，1个周期相当于20ms)4060703045最新标准（IEC61000-4-11:2004）

类别电压暂降的试验等级和持续时间1类根据设备要求依次进行2类0%持续时间0.5周期0%持续时间1周期70%持续时间25周期3类0%持续时间0.5周期

0%持续时间1周期40%持续时间10周期70%持续时间25周期80%持续时间250周期※类特定特定特定特定特定46

值得注意的是，控制系统在工程的应用中，往往都是两路电源热备供电。在两路电源的切换过程中，无论是采用继电器或者是其他的方式，对控制系统必然会有一个短暂的电源中断时间。这个因热备电源的切换所带来的短暂的中断时间应该小于控制系统的允许值（即抗扰度）。其最小值为10ms，一般的控制系统允许的短暂的中断时间可达20ms。47直流电源输入端口

试验项目

试验等级%UT

持续时间s

电压暂降40和700.01,0.03,0.1,0.3,1或※

或※短时中断00.001,0.003,0.01,0.03,0.1,0.3,1或※

电压变化85和1200.1,0.3,1,3,10,或※或80和120或※485.2电快速瞬变脉冲群抗扰度

电快速瞬变脉冲群（简称“群脉冲”）来源于切换瞬态过程，如：1）感性负载的切断；2）继电器、接触器触点的跳动；3）高压开关装置的切换等。其频谱范围为（1～100）MHz，甚至可高达300MHz。49

其特点是上升时间快（5ns），持续时间短（50ns），能量低，

但具有较高的重复频率。它们会骚扰系统的运行。

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试验时，产生电快速瞬变脉冲群发生器的主要特性参数（在接50Ω负载时）是：1）有正负极性。2）单个脉冲的上升时间为5ns±30%。3）脉冲持续时间（半峰值）为50ns±30%。4）与供电电源异步。5）脉冲群持续时间为15ms±20%。6）脉冲群周期为300ms±20%。7）脉冲重复率：开路输出电压为0.25、0.5、1、2kV时为5kHz±20%；开路输出电压为4kV时为2.5kHz±20%。8）开路输出电压为0.25kV（1-10%）～4kV（1+10%）。51试验等级电源端口.保护地（PE）I/O信号、数据、控制端口电压峰值kV重复频率Hz电压峰值

kV重复频率

Hz10.5kV5kHz0.25kV5kHz21kV5kHz0.5kV5kHz32kV5kHz1kV5kHz44kV2.5kHz2kV5kHz*特定特定特定特定52

实际工业中遇见的群脉冲的频谱很宽：开关电路：100kHz～300MHz日光灯：0.1MHz～3MHz535.3浪涌（冲击）抗扰度

浪涌的主要来源包括电源系统的切换瞬变、各种系统的故障（如接地系统间的短路等）和雷电瞬变（包括直击雷和感应雷）等。浪涌的特点是上升沿的变化速度快，瞬态功率大。用于控制系统的浪涌试验波形如下图所示，其中1.2/50为电压波形，8/20为电流波形。试验波形的特征参数：波前时间T1、半峰时间T2、峰值。54峰值、波前时间T1、半峰时T255100%50%0T1T256

57试验等级开路试验电压（±10%），kV10.521.032.044.0*特定

试验时首先要确定试验部位（如电源、I/O、通信等端口）；在每个试验部位，正负极性的干扰至少要各加5次，每次浪涌的最大重复率为1次/分。相对于交流电源，干扰波应同步在电源波形的过零点和正负峰值点上。试验电压逐步增加到规定的电平值，试验电压逐次加在每一根线与地之间。试验电压不能随意超过规定的要求。质疑：1）为什么不区分雷电浪涌和开关浪涌？

2）为什么有电压浪涌的指标值，而没有电流浪涌的指标值？585.4静电抗扰度

静电系由非常低的能量累积以电容模式储存在人体或设备表面，由突发触及使其储能以极大的速度崩溃放电而成，其频宽可由数百MHz到数个GHz。静电放电具有高电位、低电量、小电流和作用时间短的特点。由于静电放电波形的上升沿时间很短，约1纳秒左右，电流的变化率很大，所以对电路的影响很大，特别是对CMOS器件，因为其氧化膜的耐压界限一般仅为（100-150）V。

任何物体间的接触和分离就会有静电产生，从控制系统的制造到使用，包括运输、存放以及操作人员在人机界面上的接触，都有静电的释放。其中人体是最主要的静电放电源头。5960tI60ns30ns61试验等级接触放电电压（kV）空气放电电压（kV）1222443684815*特定特定5.5工频磁场抗扰度

工频磁场是最常见的干扰源。如导体中的工频电流，变压器等电力设备的漏磁通等。工频磁场可以分以下两种情况：1）正常运行条件下的电流所产生稳定的磁场，其幅值较小（1～100）A/m。2）故障情况下的电流，能产生幅值较高、但持续时间较短的磁场，直到保护装置动作为止（300～1000）A/m。工频磁场的试验等级分稳定和短时作用（1s～3s）两种，共5个试验等级。6263试验等级磁场强度A/m1s～3s的短时稳定持续磁场1-12-33-1043003051000100*特定特定5.6脉冲磁场抗扰度

脉冲磁场是由雷击建筑物和其它金属构架（包括天线杆、接地体和接地网）以及由在低压、中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的。在高压变电所，脉冲磁场也可由断路器切合高压母线和高压线路产生。对控制系统而言，威胁最大的是雷击时在空间产生的脉冲磁场。64试验等级脉冲磁场强度A/m（峰值）1-2-3100430051000*特定655.7射频电磁场辐射抗扰度

射频电磁场辐射来源于下列的一些情况，如：1）系统的操作、维护和检查人员在使用移动电话或对讲机；2）包括电台、电视发射台、发射机以及各种工业电磁辐射源的作用和影响。

射频电磁场辐射可以使话音系统语言清晰度变坏，图像显示系统变得模糊并出现差错，指针式仪表系统指示错误、抖动和乱摆，控制系统失控乃至误控，模拟信号传送波形和相位的失真，以及数字信号传送出错等等。66

下图的左边是早年射频电磁场的试验波形：（27-500）MHz，未调制，Vp-p=2.8V,Vrsm=1.0V。右边是现在更加严峻的电磁试验波形:（80-1000）MHz，1kHz正弦波进行调制，调制深度80%，Vp-p=5.18V,Vrsm=1.12V。6768试验等级试验场强，V/m1123310*特定

下图为进行射频电磁场辐射试验的电波暗室。它必须要有足够的空间，五面敷设吸波材料，在整个平面中场的变化令人满意地小。69

由于射频电磁场辐射抗扰度要在电波暗室里进行，非一般制造商能力所及。一种简便的测试方法是利用功率为p，频率为80MHz～1000MHz的步话机作干扰源，距被测设备为d，其产生的电场强度的统计平均值E为：式中：E——电场强度，V/m；

P——步话机功率，W；

d——距离，m。705.8射频场感应的传导骚扰抗扰度

射频场感应的传导骚扰主要来源是在开关电源、变频器等射频发射设备的电磁场作用下，于控制系统的电源线、通信线、接口电缆等连接线路上产生的传导骚扰。其频率范围为9kHz～80MHz。其试验等级如下表所示，频率范围为（150k-80M）Hz，对（9-150）kHz没有提出要求。电压是以有效值（rms）表示的未经调制的开路试验电平。7172频率范围150kHz～80MHz试验等级

电压

U0，dB(µV)

U0，V

11201213033140105.9评定抗扰度试验结果的通用原则（性能判据）

评定抗扰度试验结果的通用原则是如下的四个性能判据等级：性能判据1：试验时，在技术规范极限内性能正常。即性能不能有偏离制造商所规定技术规范的明显降级。性能判据2：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复。如试验时，某设备的模拟功能数值出现可容许的偏差。试验后，偏差消失。性能判据3：试验时，功能或性能暂时降低或丧失，但需要操作者干预或系统复位。如试验时导致过电流保护装置断路，由操作者更换或复位该过电流保护装置。性能判据4：由于设备、元器件、软件的损坏，或数据丢失，造成不能恢复的降级或功能丧失。

性能判据4通常是不能接受的。对性能判据2和3，应按被控过程的连续与否以及运行的重要性确认是否认可。73最终的评价结果：由在某一状态下偶然发生的最严重的故障决定。745.10电磁兼容性的发射

根据前面对电磁兼容性(EMC)的定义可知，设备的电磁兼容性不但包括对干扰的抗扰度，还应该包括不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，即所谓的发射要求。控制系统（如DCS、PLC等）的电磁发射可能会干扰其它的设备。电磁发射又包括电磁辐射发射（RE）和传导发射（CE）两种。这些发射限值代表着基本的电磁兼容性要求，并且经过选择能保证在工业场所正常工作的设备所产生的骚扰电平不会妨碍其它设备的正常工作。7576端口频率范围

MHz限值注释

外壳（辐射发射）30～230准峰值40dB(基准值为1µV/m),测量距离10m

如测量距离为3m，限值应增加10dB230～1000准峰值47dB(基准值为1