第8章计算机控制电磁兼容性设计

第8章计算机控制系统的电磁兼容性1第8章计算机控制系统的电磁兼容性设计第8章计算机控制系统的电磁兼容性2本章内容8.1电磁兼容性概述8.2噪声源8.3噪声抑制技术8.4数字信号的传输（*）8.5本章总结第8章计算机控制系统的电磁兼容性38.1电磁兼容性概述干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰会给计算机控制系统带来严重的影响，轻则使系统中的信息增加误差，不可信赖，重则使控制失误，造成事故。所以必须采取适当的措施对干扰进行抑制，以保证计算机控制系统的可靠运行。第8章计算机控制系统的电磁兼容性4简称EMC：ElectromagneticCompatibility设备或系统在其设置的预定场所投入实际运行时，应该具有不受周围电磁环境影响，又不影响周围环境，也不发生性能恶化和误动作而按设计要求正常工作的能力。即设备或系统在电磁环境中的适应能力。当有不希望的电噪声危害和影响设备或系统的正常工作时，称之为存在电磁干扰。分为内部干扰和外部干扰。什么是电磁兼容性？第8章计算机控制系统的电磁兼容性5对于计算机控制系统来说。干扰既可能来源于外部，也可能来源于内部。外部干扰指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的干扰。外部干扰主要有：1.天线干扰:如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；2.天体干扰:如太阳或其他星球辐射的电磁波；第8章计算机控制系统的电磁兼容性63.电气设备的干扰:如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰.第8章计算机控制系统的电磁兼容性7内部干扰:是由系统结构、制造工艺等决定的。主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声也属于内部干扰。第8章计算机控制系统的电磁兼容性8电磁干扰产生和形成的条件（即电磁干扰的三要素）：1。有产生电磁干扰的发射体，即干扰源；2。存在传递电磁干扰的途径，即耦合通道；3。有承受电磁干扰的接收体，即受扰体；第8章计算机控制系统的电磁兼容性9抗电磁干扰应从三方面考虑：1。抑制干扰源；2。切断或衰减电磁干扰的传播途径；3。提高装置和系统的抗干扰能力；第8章计算机控制系统的电磁兼容性10计算机抗干扰措施:硬件措施、软件措施、软硬兼施。硬件措施如果得当，可将绝大多数干扰拒之门外，但仍然有少数干扰窜入微机系统，引起不良后果，所以软件抗干扰措施作为第二道防线是必不可少的。软件抗干扰措施是以CPU的开销为代价的，影响到系统工作效率和实时性。因此一个成功的抗干扰系统是硬件和软件相结合构成的。硬件抗干扰效率高，但要增加系统的投资和设备的体积。软件抗干扰投资低，但降低系统的工作效率。第8章计算机控制系统的电磁兼容性11分类：自然噪声源和人为噪声源自然噪声源：电子部件的热噪声和空中雷电，很难在发生源上控制和抑制人为噪声源：电路内的无用耦合、汽车点火塞火花等，能够加以抑制几种常见的典型人为噪声源：汽车：点火系统的电脉冲噪声无线电发射装置：控制室和生产现场之间使用无线电收发装置交流信息，其通断会影响调解仪表的正常工作8.2噪声源第8章计算机控制系统的电磁兼容性12晶闸管：晶闸管在应用中，进行导通延时相位控制产生的电压波形第8章计算机控制系统的电磁兼容性13电机：特别是带有换向器的交流电机，由于整流子和碳刷的摩擦通过导线传播出来，再辐射到低频电路，造成对低频电路的干扰。第8章计算机控制系统的电磁兼容性14电弧焊机：在高频引弧时产生强度很大的干扰信号。交、直流继电器、电磁阀等：电感元件在绕组导通和断开时会产生很高的反向电压，控制开关产生强烈火花放电，烧毁触点，干扰低频电路。第8章计算机控制系统的电磁兼容性15高频加热炉、大功率变压器和电抗器产生的交变磁场：对邻近低电平电路和变压器产生磁耦合，从而使得这些电路和变压器受到干扰。电化作用：两种金属之间的电化作用产生噪声。摩擦电效应：如电缆的机械弯曲引起的。要防止电缆的急剧弯曲和活动。导线的运动：在振动环境中应该把电缆固定。第8章计算机控制系统的电磁兼容性168.3噪声抑制技术8.3.1屏蔽处于噪声和受噪声影响的电路及设备之间，能阻断噪声影响的金属导体称为屏蔽。分为两种情况：噪声源在屏蔽体内，噪声源在屏蔽体外第8章计算机控制系统的电磁兼容性17噪声源与受扰对象之间的耦合现象有电场引起的静电耦合和磁场引起的电磁耦合两种，与之对应的屏蔽体也有两种。第8章计算机控制系统的电磁兼容性181.静电屏蔽什么是静电感应？减少C12的措施就是静电屏蔽12211220CVVCC第8章计算机控制系统的电磁兼容性19也可将整个电路装进金属箱中再接地，称为屏蔽壳第8章计算机控制系统的电磁兼容性202.电磁屏蔽磁通感应电压为LI2VjABcos21VjMI21VjMI改进措施？第8章计算机控制系统的电磁兼容性21电磁屏蔽是设法使回路1的磁通发生扭曲，或将其引向它方，避免与回路2交链。高磁导率的金属板壁的厚度适中。高磁导率的屏蔽为磁屏蔽高导电率的屏蔽为狭义的电磁屏蔽第8章计算机控制系统的电磁兼容性223.双绞线缩小回路所圈围的面积也是有效方法。Acosd(Acos)Acosd电流流过往复两路导线时产生的磁场以相互扭绞时对外部的影响最小。一根导线的电流产生的磁通和另一根导线的电流产生的磁通符号相反而相互抵消的缘故第8章计算机控制系统的电磁兼容性238.3.2接地什么是接地？广义的接地包含两个方面，即接实地和接虚地。接实地指的是与大地连接，接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接。正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地的目的有两个：一是确定工作电位，为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地。第8章计算机控制系统的电磁兼容性24在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场连接。因此必须认真对待模拟地。第8章计算机控制系统的电磁兼容性25数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。模拟地与数字地通过接地板连接在一起，统称为电源逻辑地。安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。第8章计算机控制系统的电磁兼容性26系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。地球是导体而且面积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较稳定，所以将其电位作为基准零点位。交流地是计算机交流供电电源地，即动力电地，它的地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易有几伏至几十伏的电位差存在。另外交流地也很容易带来各种干扰。第8章计算机控制系统的电磁兼容性27因此，交流地绝对不允许与上述几种地连接，而且交流电源变压器的绝缘性必须很好，以免漏电。在计算机控制系统中，对上述各种地的处理一般是采用分别汇流法进行单点接地。如图所示。图分别汇流法接地第8章计算机控制系统的电磁兼容性28从图中可以看到，控制系统的模拟地、数字地、安全地分别汇集后单点接到接地板上。回流线往往采用汇流条而不是一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。第8章计算机控制系统的电磁兼容性29由于电子电路的接地点选取不当及接地回路设计不好，会引起由基准电位的变化而引入的噪声。基准电位变化的原因有：（1）接地回路中有信号电流，在接地线路的阻抗上产生压降，使电路基准电位变化；（2）当有两个以上接地点而产生环路时，接地点间的电位差和对环路的电磁感应使环路中出现电流，发生电压降，使基准电位变化。第8章计算机控制系统的电磁兼容性30抑制噪声的措施：（1）减小接地回路的阻抗；（2）接地回路中尽量不出现电流；（3）勿形成接地环路；接地的方式分为两种：一点接地方式多点接地方式第8章计算机控制系统的电磁兼容性31（1）一点接地方式，分为串联方式和并联方式两种，其功能是防止形成接地环路pab1V(ii)Zqab1b2V(ii)ZiZP和Q两点分别是A电路和B电路的电位基准点，其电位分别是：如果iaib,则ibZ1便形成噪声对电路A的输入信号发生干扰。并联方式则不同，因为没有公共阻抗，A、B两个电路互不干扰，不会出现干扰故障，第8章计算机控制系统的电磁兼容性32实际的一点接地方法如下图，把输出电流所经过的接地线（噪声地线：继电器、电动机、高功率电路）与确定基准电位的接地线（信号地线：低电平电路）分开，尽量不让电流流经确定基准电位的接地线。适合于低频线路。第8章计算机控制系统的电磁兼容性33（2）多点接地方式，高频信号（10MHz以上、波长在30m以下的信号）电路在接地阻抗上起主导作用的是电感，所以必须采用能使接地阻抗保持最低值的接地方式。要设置一个低阻抗接地面。以最短距离把各个元件接地端子接到此接地面上。第8章计算机控制系统的电磁兼容性34计算机控制系统输入环节的接地在计算机控制系统的输入环节中，传感器、变送器、放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。对于屏蔽层的接地也采用单点接地的原则。输入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。如图8-13(a)中，信号源接地，而接收端放大器浮地，则屏蔽层应在信号源端接地。而图8-13(b)却相反，信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地。这样单点接地是为了避免在屏蔽层与地之间的回路电流通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。第8章计算机控制系统的电磁兼容性35图8-13输入环节的接地方式（a）信号源接地;(b)信号源浮地第8章计算机控制系统的电磁兼容性368.3.3去耦公共阻抗耦合：接地回路的公共阻抗会引起几个回路的相互干扰，电源电路的内阻抗也会对多个电路起公共阻抗的作用，成为无用耦合和噪声的根源。采取的措施就是去耦。第8章计算机控制系统的电磁兼容性371。去耦滤波器针对信号频带，避免公共阻抗耦合影响的滤波器第8章计算机控制系统的电磁兼容性38数字滤波数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或消除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算发编制相应的程序，实质上是一种程序滤波。因此，可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个采样通道共用，因而成本很低。另外数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之处是需要占用CPU的机时。第8章计算机控制系统的电磁兼容性391.平均值滤波平均值滤波就是对多个采样值进行平均算法，这是消除随机误差最常用的方法。具体又分为以下几种。（1）算术平均滤波算术平均滤波就是在采样一个周期内，对输出进行多次采样，再对这多个采样值进行平均值计算，将其作为本周期的采样值。其数学表达式如下：第8章计算机控制系统的电磁兼容性4011()miiykym（8-2）其中，y—测量信号；k—当前时间（单位为采样周期）m—一个采样周期内采样的次数；采样次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。提高的m值，可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低，采样次数m的取值随被测信号类型的不同而不同。惯性越大，m取值应越小。第8章计算机控制系统的电磁兼容性41一般情况下，流量信号可取10左右，压力信号可取4左右，温度、成分等缓变信号可取2甚至不进行滤波计算。（2）去极值平均滤波算术平均滤波不能将明显的、偶然的信号滤除，只是把其平