计算机控制系统中的抗干扰技术课件.ppt
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1、2023-5-12计算机控制技术12023-5-12计算机控制技术2 干扰的传播途径与作用方式干扰的传播途径与作用方式 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 2023-5-12计算机控制技术3干扰的传播途径干扰的传播途径与作用方式与作用方式2023-5-12计算机控制技术4 是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备是指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。不能正常工作的破坏因素。就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。措施来实现的。与干扰相关的几个概念:与干扰相关的几个概念:产生干扰信号的原因产生干扰
2、信号的原因干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰源、传播途径及干扰对象。干扰源、传播途径及干扰对象。2023-5-12计算机控制技术5 计算机控制系统中干扰的计算机控制系统中干扰的来源来源是多方面的是多方面的:外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰与系统结构无关,是由使用条件和外部与系统结构无关,是由使用条件和外部环境因素决定的。环境因素决定的。:天电干扰,如雷电或大气电离作用引起:天电干扰,如雷电或大气电离作用引起的干扰电波;天体干扰,如太阳辐射的电磁波;的干扰电波;天体干扰,如太阳辐射的电磁波;周围电气设备发出的电磁波的干扰;电源的工频周围电气设备发出的电磁波的
3、干扰;电源的工频干扰;气象条件引起的干扰;地磁场干扰;火化干扰;气象条件引起的干扰;地磁场干扰;火化放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。是由系统的结构布局、线路设计、元器件是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的性质变化和漂移等原因造成的:分布电容、分布电感引起的耦合感应,电: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入的干扰,寄生振荡引起的干扰以及热的电位差引入的干扰,寄生振荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。噪声、闪变噪
4、声、尖峰噪声等。2023-5-12计算机控制技术6在计算机控制系统的现场,往往有许多强电设备,它们的启动和工作在计算机控制系统的现场,往往有许多强电设备,它们的启动和工作过程中将产生干扰电磁场,另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的过程中将产生干扰电磁场,另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰,以及高压输电线周围交变磁场的影响等。干扰,以及高压输电线周围交变磁场的影响等。交流动力线引入噪声高压电线雷电雷达、电台等天线发射装置地电位波动电机、电焊机等大用电设备过程控制系统2023-5-12计算机控制技术7 电场耦合又称静电耦合,是通过电容耦合窜入其他线路的。电场耦合又称静电耦合,是通过电容耦合窜
5、入其他线路的。干扰传播途径主要有干扰传播途径主要有 电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统2023-5-12计算机控制技术812g1212nU)CC(Rj1RCjU112nURCjU12g1212nUCCCU当导体当导体2对地电阻对地电阻R很小时,使很小时,使jR(C12+C2g)1时,式时,式(9.1)可以近似表示为可以近似表示为在这种情况下,干扰电压在这种情况下,干扰电压Un由电容由电容C12和和C2g的分压关系及的分压关系及U1所确定,所确定,其幅值比前两种情况大得多。其幅值比前两种情况大得多。2023-5-12计算机控制技术
6、9 在任何载流导体周围都会产生磁场,当电流变化时会引起交变磁场,该在任何载流导体周围都会产生磁场,当电流变化时会引起交变磁场,该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。1nMIjU其中:其中:为感应磁场交变角频率为感应磁场交变角频率 M为两根导线之间的互感为两根导线之间的互感 I1为导线为导线1中的电流中的电流 在设备内部,线圈或变压器的漏磁也会引起干扰;在设备外部,平行架在设备内部,线圈或变压器的漏磁也会引起干扰;在设备外部,平行架设的两根导线也会产生干扰,由于感应电磁场引起的耦合,可以计算感设的两根导线也会产生干扰,由于感应电磁场
7、引起的耦合,可以计算感应电压应电压2023-5-12计算机控制技术10 公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗,使得一个回路的电流所产生的电压降影阻抗,使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路。响到另一回路。在计算机控制系统中,普遍存在公共耦合阻抗,在计算机控制系统中,普遍存在公共耦合阻抗,例如,电源引线、印刷电路板上的地和公共电例如,电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻抗,对于多回路来讲,就是抗,对于多回路来讲,就是公共耦合阻抗公共耦合阻抗。2023-5-12计算
8、机控制技术11公共电源线的阻抗耦合公共电源线的阻抗耦合 公共地线的阻抗耦合公共地线的阻抗耦合 2023-5-12计算机控制技术12 按干扰作用方式的不同,可分为按干扰作用方式的不同,可分为差模干扰、共模干扰差模干扰、共模干扰和和长长线传输干扰线传输干扰。又称串模干扰,是指叠加在被测信号上的干扰噪声,它串又称串模干扰,是指叠加在被测信号上的干扰噪声,它串联在信号源回路中,与被测信号相加输入系统。差模干扰联在信号源回路中,与被测信号相加输入系统。差模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位,也称为常态干扰或与被测信号在回路中处于同样的地位,也称为常态干扰或横向干扰。横向干扰。差模干扰:差模干扰:202
9、3-5-12计算机控制技术13差模干扰示意图差模干扰示意图 n主要有分布电容的电场耦合,空间的磁场耦合,长线传输的互主要有分布电容的电场耦合,空间的磁场耦合,长线传输的互感,感,50Hz工频干扰,以及信号回路中元件参数变化等。工频干扰,以及信号回路中元件参数变化等。产生差模干扰的原因产生差模干扰的原因2023-5-12计算机控制技术14 是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干共模干扰也称为扰也称为共态干扰共态干扰或或纵向干扰纵向干扰。计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离,在计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般
10、相隔一段距离,在两个接地点之间往往存在一个电位差两个接地点之间往往存在一个电位差Vc,该电位差是系统信号输入端上,该电位差是系统信号输入端上共有的干扰电压,会对系统产生共模干扰。共有的干扰电压,会对系统产生共模干扰。共模干扰示意图共模干扰示意图 共模干扰:共模干扰:2023-5-12计算机控制技术15 对于系统的干扰来说,共模干扰大都通过差模干扰的方式对于系统的干扰来说,共模干扰大都通过差模干扰的方式表现出来。表现出来。两种输入方式时共模电压的引入两种输入方式时共模电压的引入 2023-5-12计算机控制技术16 图图(a)所示为信号单端输入情况,所示为信号单端输入情况,Zs是信号源是信号源内
11、阻,内阻,Zr是系统输入阻抗。共模干扰电压是系统输入阻抗。共模干扰电压Ucm和信号源电压和信号源电压Us相加共同作用于回路,此时,相加共同作用于回路,此时,共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由Ucm引起系统输入的差模电压引起系统输入的差模电压Un1为为 因为因为ZrZs,则,则 其中,其中,Zs是信号源内阻是信号源内阻(含信号引线电阻含信号引线电阻),Zr是放大器输入阻抗。显然,是放大器输入阻抗。显然,Zr越大,或越大,或Zs越小,越小,Un1越小,越有利于抑制共模干扰。越小,越有利于抑制共模干扰。1sncmsrZUUZZ1sncmrZUUZ2023
12、-5-12计算机控制技术17 图图 9.8(b)所示为放大器双端输入情况,所示为放大器双端输入情况,Zs1、Zs2为信号源内阻,为信号源内阻,Zc1、Zc2为系统输入阻抗。为系统输入阻抗。共模电压共模电压Ucm引起系统输入端的差模干扰电压引起系统输入端的差模干扰电压Un2为为 若若Zs1=Zs2,Zc1=Zc2,则,则Un2=0,系统没有,系统没有引入共模干扰。实际上,两个输入端不可能作引入共模干扰。实际上,两个输入端不可能作到完全对称,因此,到完全对称,因此,Un20,也就是说实际上,也就是说实际上总是存在一定的共模干扰电压。当总是存在一定的共模干扰电压。当Zs1和和Zs2越小,越小,Zc1
13、和和Zc2越大,并且越大,并且Zc1和和Zc2越接近越接近时,共模干扰电压就越小时,共模干扰电压就越小 1221122ccncmscscZZUUZZZZ2023-5-12计算机控制技术18 由上述分析可知,对于存在共模干扰的场合,由上述分析可知,对于存在共模干扰的场合,不能采用单端输入,应采用双端输入方式,原不能采用单端输入,应采用双端输入方式,原因是其抗共模干扰能力强。因是其抗共模干扰能力强。为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力,常为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力,常用用共模抑制比共模抑制比CMRR表示,即表示,即 其中,其中,Ucm是共模干扰电压,是共模干扰电压,Un是由是由Ucm转转
14、化成的差模干扰电压。显然,单端输入方式的化成的差模干扰电压。显然,单端输入方式的CMRR较小,说明它的抗共模抑制能力较差;较小,说明它的抗共模抑制能力较差;而双端输入方式,由而双端输入方式,由Ucm引入的差模干扰电压引入的差模干扰电压Un较小,较小,CMRR较大,所以抗共模干扰能力较大,所以抗共模干扰能力很强。很强。)DB(UUlg20CMRRncm2023-5-12计算机控制技术19在计算机控制系统中,现场信号到控制计算机以及在计算机控制系统中,现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构,都经过一段较长的线控制计算机到现场执行机构,都经过一段较长的线路进行信号传输,即长线传输。路进行信
15、号传输,即长线传输。一是高速变化的信号在长线中传输时,会出现波反射现象。一是高速变化的信号在长线中传输时,会出现波反射现象。长线传输干扰长线传输干扰:信号在长线中传输会遇到三个问题:信号在长线中传输会遇到三个问题:二是具有信号延时二是具有信号延时三是长线传输会受到外界干扰三是长线传输会受到外界干扰2023-5-12计算机控制技术20硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2023-5-12计算机控制技术21电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一;电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一;对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。供电方式供电方
16、式 尖峰脉冲干扰的抑制尖峰脉冲干扰的抑制 掉电保护掉电保护 直流侧的抗干扰措施直流侧的抗干扰措施 2023-5-12计算机控制技术22计算机控制系统的供电方式计算机控制系统的供电方式 供电方式供电方式2023-5-12计算机控制技术23交流滤波器交流滤波器可采用电容滤波器,电感电容滤波器或有原滤波器。滤可采用电容滤波器,电感电容滤波器或有原滤波器。滤波器要有良好的接地,布线接近地面,输入输出引线应相互隔离,波器要有良好的接地,布线接近地面,输入输出引线应相互隔离,不可平行或缠绕在一起。不可平行或缠绕在一起。在电源变压器中设置合理的屏蔽(静电屏蔽和电磁屏蔽)是一种有在电源变压器中设置合理的屏蔽(
17、静电屏蔽和电磁屏蔽)是一种有效的抗干扰措施,它是在电源变压器的初级和次级之间加效的抗干扰措施,它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层屏蔽层。还可采用还可采用开关电源、开关电源、DC-DC变换器以及变换器以及UPS供电供电等,来提高电源等,来提高电源的稳定性的稳定性 电源变压器的静电屏蔽电源变压器的静电屏蔽 FCFCFCFCiUoUiUoU隔离变压器及其屏蔽隔离变压器及其屏蔽iUoU隔离变压器 1:1电源变压器2023-5-12计算机控制技术24尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲,其幅尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲,其幅度可达几千伏,宽度只有几个毫微秒或
18、几个微妙,因此采用常规的度可达几千伏,宽度只有几个毫微秒或几个微妙,因此采用常规的抑制办法是无效的,而必须采取综合治理办法。抑制办法是无效的,而必须采取综合治理办法。另外,使系统远离干扰源,对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干另外,使系统远离干扰源,对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干扰的产生等都是可行的方法。扰的产生等都是可行的方法。尖峰脉冲干扰的抑制尖峰脉冲干扰的抑制抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种:抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种:在交流电源的输入端并联压敏电阻;在交流电源的输入端并联压敏电阻;采用铁磁共振原理采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器如采用超级隔离变压器);在交流电
19、源输入端串入均衡器,即干扰抑制器。在交流电源输入端串入均衡器,即干扰抑制器。2023-5-12计算机控制技术25过程控制计算机供电不允许中断,一旦中断电源,将影响生产。过程控制计算机供电不允许中断,一旦中断电源,将影响生产。为此,计算机系统应加装为此,计算机系统应加装UPS(不间断电源),或增加电源电(不间断电源),或增加电源电压监视电路,及早监测到掉电状态,从而进行应急处理。压监视电路,及早监测到掉电状态,从而进行应急处理。掉电保护电路掉电保护电路 掉电保护掉电保护对于没有使用对于没有使用UPS的计算机控制系统,为了防止掉电后的计算机控制系统,为了防止掉电后RAM中中的信息丢失,经常采用镍电
20、池对的信息丢失,经常采用镍电池对RAM进行数据保护。进行数据保护。2023-5-12计算机控制技术26对直流电源电压监视可采用对直流电源电压监视可采用集成电路集成电路P监控电路监控电路实现掉电保护。现在已实现掉电保护。现在已经有许多集成电路经有许多集成电路P监控电路可供选择,它们具有很多种类和规格,同监控电路可供选择,它们具有很多种类和规格,同时也具有多种功能,如有的时也具有多种功能,如有的P监控电路除电源监视外,还具有看门狗、监控电路除电源监视外,还具有看门狗、上电复位、备用电源切换开关等功能。上电复位、备用电源切换开关等功能。利用利用MAX915组成的电源监视电路组成的电源监视电路 202
21、3-5-12计算机控制技术27电网的高频干扰,由于频带较宽,仅在交流侧采取抗干扰措施,很电网的高频干扰,由于频带较宽,仅在交流侧采取抗干扰措施,很难保证干扰绝对不进入直流系统,因此须在直流侧采取必要的抗干难保证干扰绝对不进入直流系统,因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。扰措施。直流侧的抗干扰措施直流侧的抗干扰措施在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个(在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个(10100)F的大电容和一个(的大电容和一个(0.010.1)F的小电容;在各主要的集成的小电容;在各主要的集成电路芯片的电源输入端与地之间,或电路板电源布线的一些关键电路芯片的电源输入端与地之
22、间,或电路板电源布线的一些关键点与地之间,接入一个(点与地之间,接入一个(110)F的电解电容,同时为滤除高的电解电容,同时为滤除高频干扰,可再并联一个频干扰,可再并联一个0.01F的小电容。的小电容。去耦法去耦法在每块电路板上装上一个或几块稳压块,以稳定电路板上的电源在每块电路板上装上一个或几块稳压块,以稳定电路板上的电源电压,提高抗干扰能力。电压,提高抗干扰能力。增设稳压块法增设稳压块法2023-5-12计算机控制技术28 二是为了保证控制系统稳定可靠工作,提供一个基准电位的接地,二是为了保证控制系统稳定可靠工作,提供一个基准电位的接地,即工作接地。即工作接地。接地技术对计算机控制系统是极
23、为重要的,不恰当的接地会对系统产接地技术对计算机控制系统是极为重要的,不恰当的接地会对系统产生严重的干扰,而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。生严重的干扰,而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。计算机控制系统中接地的目的通常有两个:计算机控制系统中接地的目的通常有两个:一是为了安全,即安全接地;一是为了安全,即安全接地;2023-5-12计算机控制技术29地线系统分析地线系统分析 在过程计算机控制系统中,一般有以下几种地线:模拟地、在过程计算机控制系统中,一般有以下几种地线:模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。数字地、安全地、系统地和交流地。安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位
24、,以避免机壳带的目的是使设备机壳与大地等电位,以避免机壳带电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机电影响人身和设备的安全。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。壳地,机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送器、放大器、A/D和和D/A转换中模转换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,拟电路的零电位。模拟信号有精度要求,有时信号比较小,而且与生产现场相连。而且与生产现场相连。数字地数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位,应该与模作为控制系统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
25、字脉冲的干扰。拟地分开,避免模拟信号受数字脉冲的干扰。系统地系统地是以上几种地的最终回流点,直接与大地相连是以上几种地的最终回流点,直接与大地相连。交流地交流地是计算机交流供电电源地,即为动力线地,它的地是计算机交流供电电源地,即为动力线地,它的地电位很不稳定。电位很不稳定。2023-5-12计算机控制技术30在过程控制计算机中,对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地。单点接地与多点接地单点接地与多点接地 分别回流法接地示意图分别回流法接地示意图2023-5-12计算机控制技术31输入系统的接地输入系统的接地在输入通道中,为防止干扰,传感器、变送器、和信号放大器在输入通道中,为防止干扰
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