摘要:分析和探討了微機(jī)控制材料
試驗(yàn)機(jī)所受干擾的來源和通道,并采用屏蔽和隔離等一系列措施抑制各種干擾,以達(dá)到提高微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和精確度。
因微機(jī)控制設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集量大、精確度高、方便快捷等優(yōu)點(diǎn),并能實(shí)現(xiàn)比模擬控制復(fù)雜得多的試驗(yàn)要求,所以
材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微機(jī)化自動(dòng)控制已是勢在必行。但是,自動(dòng)控制設(shè)備所用元器件和電子線路具有工作信號(hào)電平低、速度快等特點(diǎn),在工業(yè)現(xiàn)場必然會(huì)受到各種干擾。由于微機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度更高,干擾對其影響更加嚴(yán)重,工業(yè)現(xiàn)場的干擾不僅會(huì)影響到微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的控制精度甚至?xí)绊懫湔＿\(yùn)行,以至于影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。可見,微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的干擾是個(gè)急待解決的重要問題。
為了采取切實(shí)有效的抗干擾措施,首先應(yīng)查清干擾的來源和途徑。干擾是個(gè)復(fù)雜多變的綜合性問題,應(yīng)采取多方措施。本研究對該問題進(jìn)行了分析,并對其解決方法進(jìn)行初步探索。
1、微機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象
試驗(yàn)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象:當(dāng)附近的試驗(yàn)機(jī)開高溫爐或是附近的大功率設(shè)備開機(jī)時(shí),試驗(yàn)機(jī)會(huì)出現(xiàn)作動(dòng)筒瞬間峰值的情況。除了上述因附近電氣設(shè)施開關(guān)引起的干擾外,還有一些其他原因引起的試驗(yàn)機(jī)不穩(wěn)定、載荷無輸出的情況。
2、微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)干擾源的分析
2.1 來自電網(wǎng)的干擾
微機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)的電源是220V電壓,相電壓因電網(wǎng)功率不平衡會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定。產(chǎn)生負(fù)載電流的快速變化和尖峰干擾使電壓波形產(chǎn)生畸變并由電網(wǎng)竄入微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)干擾其正常工作。
2.2 來自信號(hào)通道的干擾
微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以控制試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)作,試驗(yàn)機(jī)的反饋信號(hào)會(huì)將外界干擾由輸入、輸出通道引入試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。
2.3 地線干擾
試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)接地不良或接地方法不正確,干擾會(huì)很容易地通過地線竄到試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部;同時(shí),因?qū)嶋H地電阻為零,地線各點(diǎn)存在電位差,也會(huì)干擾試驗(yàn)系統(tǒng)的正常工作。
2.4 空間電磁干擾
試驗(yàn)機(jī)的各種外接連線很多,所有的動(dòng)力線、電源線相當(dāng)于一個(gè)個(gè)輻射天線,試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的任一線路、導(dǎo)線、殼體會(huì)在空間產(chǎn)生輻射、接收和調(diào)制。
2.5 反電動(dòng)勢產(chǎn)生的干擾
帶線圈的器件(如繼電器、變壓器、電動(dòng)機(jī))作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件在接通或斷開的瞬間,負(fù)載電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢,若不加以抑制,會(huì)經(jīng)輸出回路反饋到微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng),并沖擊正常運(yùn)行的微機(jī)控制系統(tǒng),使運(yùn)行程序混亂,甚至于損壞電子元器件。
3、微機(jī)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)可采用的抗干擾措施
3.1 對硬件電路部分采用的抗干擾措施
3.1.1 對交流電壓的干擾抑制
(1)采用性能好的開關(guān)電源為試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)供電因開關(guān)電源與一般的直流電源相比在抗干擾能力上占絕對優(yōu)勢。但在使用中要注意使用性能好的開關(guān)電源為微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)供電,否則不僅不能抑制干擾還會(huì)產(chǎn)生干擾。
(2)使用隔離變壓器
由于普通變壓器對干擾無任何抑制作用,而隔離變壓器的安裝次級間均用屏蔽層隔離,可減少其分布電容,從而提高了試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)共模干擾的能力。
(3)配置去耦電容
在電源輸入端跨接10～100μF的電解電容,原則上每個(gè)集成電路芯片的電源線和地線間接一個(gè)0.01μF的陶瓷電容作為去耦電容。
(4)在交流電源次級接瞬態(tài)電壓的抑制器高能量沖擊時(shí),它能以10-12秒量級的速度,將其兩極間的高阻抗變成低阻抗,吸收數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值,從而有效地保護(hù)電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。在交流電源次級并接一個(gè)TVS管,可起到保護(hù)電源次級后面電路免受脈沖干擾的沖擊。
3.1.2 信號(hào)通道的干擾抑制
(1)材料試驗(yàn)機(jī)輸入通道采用光電耦合隔離措施光電耦合器的輸入阻抗很小,而干擾源的內(nèi)阻則很大,因此能分壓到光電耦合器輸入端的干擾就被大大削弱了。但一般的光電耦合器線性很差,只能用來隔離數(shù)字量的輸入、輸出通道。
(2)材料試驗(yàn)機(jī)輸入通道并接TVS管以保護(hù)輸入后面線路的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。
(3)材料試驗(yàn)機(jī)輸入通道采用隔離放大器用隔離放大器隔離模擬輸入輸出通道,不僅能抑制干擾,而用具有很好的線性。
(4)材料試驗(yàn)機(jī)對反電動(dòng)勢的抑制有兩種抑制辦法:一是在帶線圈器件(如繼電器、電動(dòng)機(jī))的交流線圈兩端并接RC電路;二是在直流線圈兩端并接一個(gè)電阻、二極管串聯(lián)電路,也可同時(shí)在RC或RD電路兩端并接一個(gè)壓敏電阻或TVS管。
3.1.3 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)接地的抗干擾措施
(1)試驗(yàn)機(jī)輸入信號(hào)回路虛地技術(shù)
前置被大電路的性能好壞直接決定著模擬前端及至整個(gè)系統(tǒng)性能優(yōu)劣,而前放部分引入的干擾信號(hào)則很難進(jìn)行徹底消除。為了盡可能地減少類似干擾,采用了信號(hào)回路虛地技術(shù),即信號(hào)參考端與模擬電路的地回路之間以零電流相連結(jié),由此保證信號(hào)回路與模擬回路達(dá)到準(zhǔn)隔離(如圖1所示)。
(2)微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)采用多級浮地技術(shù)
多級浮地技術(shù)主要用于解決接地回路電流對系統(tǒng)正常工作帶來的影響。在微機(jī)控制系統(tǒng)中,由于各種不同的工作地均有可能引入相應(yīng)的干擾信號(hào),并將此干擾信號(hào)疊回到信號(hào)回路中,由此影響到最終的采集數(shù)據(jù)。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,采用多級浮地的抗干擾技術(shù),以最大限度地切斷地電流的各種耦合通路,以充分實(shí)現(xiàn)將所有干擾信號(hào)屏蔽、隔離在信號(hào)回路之外這一抗干擾目標(biāo)。比如,微機(jī)機(jī)殼地與交流地通過DC-DC變換進(jìn)行隔離;將模擬地和數(shù)字地通過光電耦合器進(jìn)行隔離,將模擬地和信號(hào)地通過信號(hào)回路虛地技術(shù)進(jìn)行隔離等等。通過這樣一級級的隔離措施使得信號(hào)回路多級浮置于系統(tǒng)地(機(jī)殼地)之上,從而達(dá)到保護(hù)信號(hào)回路,保護(hù)和凈化輸入信號(hào)的目的。
(3)試驗(yàn)機(jī)主機(jī)和外部設(shè)備的金屬屏蔽直接與大地相連。
(4)采用接地扼流線圈可防止電流和高頻電流的干擾。
3.1.4 空間輻射干擾的抑制
空間輻射干擾主要是空間電磁波的干擾。材料試驗(yàn)機(jī)多采用數(shù)字儀表,因數(shù)字儀表精度高,與指針式儀表相比受干擾的影響更大。抑制空間電磁波輻射干擾的辦法是電屏蔽和磁屏蔽。采用電屏蔽的辦法可將微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)柜置于密閉的金屬機(jī)殼內(nèi),機(jī)殼直接接大地。磁屏蔽的辦法是采用兩層或三層磁屏蔽;用初始磁導(dǎo)率但不飽和硅鋼片做外層屏蔽,采用初始磁導(dǎo)率高但易飽和的坡莫合金做內(nèi)層屏蔽,可充分發(fā)揮材料的性能并得到較理想的屏蔽效果。
3.2 軟件的抗干擾措施
3.2.1 數(shù)字濾波
對輸入通道中硬件沒有完全消除的干擾,在信號(hào)數(shù)據(jù)被使用前采用數(shù)字濾波技術(shù)能取得較好效果。
3.2.2 選取合適的采樣時(shí)間
對于具有積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來說,采樣時(shí)間應(yīng)取工頻周期的整數(shù)倍,這將有助于抑制工頻干擾。
4、結(jié)論
在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)針對不同的材料試驗(yàn)機(jī)在不同的試驗(yàn)環(huán)境下的具體情況分析其干擾的來源和通道,并采取相應(yīng)的抗干擾措施以達(dá)到抑制干擾提高微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)性能的目的。通過對微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)干擾源的分析(包括來自電網(wǎng)、信號(hào)通道、地線、空間電磁干擾和反電動(dòng)勢產(chǎn)生的干擾),采用軟硬件相結(jié)合的辦法來抑制干擾、其中硬件抗干擾措施包括采用開關(guān)電源、加隔離變壓器、配置去耦電容、加瞬態(tài)抑制管、采用光電隔離措施等,軟件措施包括數(shù)字濾波、選擇工頻周期整數(shù)倍的采樣時(shí)間,上述大部分軟硬件抗干擾措施在實(shí)際應(yīng)用中取得較好效果,提高了材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和精確度。
