抗干擾技術

干擾問題是機電一體化系統設計和使用過程中必須考慮的重要問題。在機電一體化系統的工作環境中，存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備的啓停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們在系統中產生電磁感應和干擾衝擊時，往往就會擾亂系統的正常運行，輕者造成系統的不穩定，降低了系統的精度；重者會引起控制系統死機或誤動作，造成設備損壞或人身傷亡。

第一節 產生干擾的因素

干擾是指對系統的正常工作產生不良影響的內部或外部因素。從廣義上講，機電一體化系統的干擾因素包括電磁干擾、温度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等，在眾多幹擾中，電磁干擾最為普遍，且對控制系統影響最大，而其它干擾因素往往可以通過一些物理的方法較容易地解決。本節重點介紹電磁干擾的相關內容。

電磁干擾是指在工作過程中受環境因素的影響，出現的一些與有用信號無關的，並且對系統性能或信號傳輸有害的電氣變化現象。這些有害的電氣變化現象使得信號的數據發生瞬態變化，增大誤差，出現假象，甚至使整個系統出現異常信號而引起故障。例如傳感器的導線受空中磁場影響產生的感應電勢會大於測量的傳感器輸出信號，使系統判斷失靈。

二、形成干擾的三個要素

干擾的形成包括三個要素：干擾源、傳播途徑和接受載體。三個要素缺少任何一項干擾都不會產生。

1、干擾源

產生干擾信號的設備被稱作干擾源，如變壓器、繼電器、微波設備、電機、無繩電話和高壓電線等都可以產生空中電磁信號。當然，雷電、太陽和宇宙射線屬於干擾源。

2、傳播途徑

傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。電磁信號在空中直線傳播，並具有穿透性的傳播叫作輻射方式傳播；電磁信號藉助導線傳入設備的傳播被稱為傳導方式傳播。傳播途徑是干擾擴散和無所不在的主要原因。

3、接受載體

接受載體是指受影響的設備的某個環節吸收了干擾信號，並轉化為對系統造成影響的電器參數。接受載體不能感應干擾信號或弱化干擾信號使其不被幹擾影響就提高了抗干擾的能力。接受載體的接受過程又成為耦合，耦合分為兩類，傳導耦合和輻射耦合。傳導耦合是指電磁能量以電壓或電流的形式通過金屬導線或集總元件（如電容器、變壓器等）耦合至接受載體。輻射耦合指電磁干擾能量通過空間以電磁場形式耦合至接受載體。

根據干擾的定義可以看出，信號之所以是干擾是因為它對系統造成的不良影響，反之，不能稱其為干擾。從形成干擾的要素可知，消除三個要素中的任何一個，都會避免干擾。抗干擾技術就是針對三個要素的研究和處理。

按干擾的耦合模式分類，電磁干擾包括下列類型。

1、靜電干擾

大量物體表面都有靜電電荷的存在，特別是含電氣控制的設備，靜電電荷會在系統中形成靜電電場。靜電電場會引起電路的電位發生變化；會通過電容耦合產生干擾。靜電干擾還包括電路周圍物件上積聚的電荷對電路的泄放，大載流導體（輸電線路）產生的電場通過寄生電容對機電一體化裝置傳輸的耦合干擾等等。

2、 磁場耦合干擾

大電流周圍磁場對機電一體化設備迴路耦合形成的干擾。動力線、電動機、發電機、電源變壓器和繼電器等都會產生這種磁場。產生磁場干擾的設備往往同時伴隨着電場的干擾，因此又統一稱為電磁干擾。

3、漏電耦合干擾

絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾。多發生於工作條件比較惡劣的環境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。

4、共阻抗干擾

共阻抗干擾是指電路各部分公共導線阻抗、地阻抗和電源內阻壓降相互耦合形成的干擾。這是機電一體化系統普遍存在的一種干擾。

5、電磁輻射干擾

由各種大功率高頻、中頻發生裝置、各種電火花以及電台電視台等產生的高頻電磁波，向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾。雷電和宇宙空間也會有電磁波干擾信號。

在電路中，干擾信號通常以串模干擾和共模干擾形式與有用信號一同傳輸。

1、串模信號

串模干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾。產生串模干擾的原因有分佈電容的靜電耦合，長線傳輸的互感，空間電磁場引起的磁場耦合，以及50Hz的工頻干擾等。

在機電一體化系統中，被測信號是直流（或變化比較緩慢），而干擾信號經常是一些雜亂的波形和含有尖峯脈衝。

2、共模干擾

共模干擾往往是指同時加載在各個輸入信號接口端的共有的信號干擾。

圖 7-2 串模干擾示意圖

圖 7-3 共模干擾示意圖

第二節 抗干擾的措施

提高抗干擾的措施最理想的方法是抑制干擾源，使其不向外產生干擾或將其干擾影響限制在允許的範圍之內。由於車間現場干擾源的複雜性，要想對所有的干擾源都作到使其不向外產生干擾，幾乎是不可能的，也是不現實的。另外，來自於電網和外界環境的干擾，機電一體化產品用户環境的干擾源也是無法避免的。因此，在產品開發和應用中，除了對一些重要的干擾源，主要是對被直接控制的對象上的一些干擾源進行抑制外，更多的則是在產品內設法抑制外來干擾的影響，以保證系統可靠地工作。

抑制干擾的措施很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法

屏蔽是利用導電或導磁材料製成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

電場屏蔽是為了消除或抑制由於電場耦合引起的干擾。通常用銅和鋁等導電性能良好的金屬材料作屏蔽體。屏蔽體結構應儘量完整嚴密並保持良好的接地。

磁場屏蔽是為了消除或抑制由於磁場耦合引起的干擾。對靜磁場及低頻交變磁場，可用高磁導率的材料作屏蔽體，並保證磁路暢通。對高頻交變磁場，由於主要靠屏蔽體殼體上感生的渦流所產生的反磁場起排斥原磁場的作用。選用材料也是良導體，如銅、鋁等。

同軸電纜中，為防止在信號傳輸過程中受到電磁干擾，在電纜線中設置了屏蔽層。芯線電流產生的磁場被侷限在外層導體和芯線之間的空間中，不會傳播到同軸電纜以外的空間。而電纜外的磁場干擾信號在同軸電纜的芯線和外層導體中產生的干擾電勢方向相同，使電流一個增大，一個減小而相互抵消，總的電流增量為零。許多通信電纜還在外面包裹一層導體薄膜以提高屏蔽外界電磁干擾的作用。

圖7-5 同軸電纜示意圖

1－芯線 2－絕緣體 3－外層導線 4－絕緣外皮

隔離是指把干擾源與接收系統隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。

1、光電隔離

光電隔離是以光作媒介在隔離的兩端間進行信號傳輸的，所用的器件是光電耦合器。由於光電耦合器在傳輸信息時，不是將其輸入和輸出的電信號進行直接耦合，而是藉助於光作為媒介物進行耦合，因而具有較強的隔離和抗干擾的能力。在控制系統中，它既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈衝變壓器起線路隔離與脈衝放大作用。由於光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路。又由於它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強的抗電磁干擾的能力，從而在機電一體化產品中獲得了極其廣泛的應用。

圖 7-6 光電隔離和變壓器隔離原理

（a） 光電隔離（b） 變壓器隔離

由於光耦合器共模抑制比大、無觸點、壽命長、易與邏輯電路配合、響應速度快、小型、耐衝擊且穩定可靠，因此在機電一體化系統特別是數字系統中得到了廣泛的應用。

2、變壓器隔離

對於交流信號的傳輸一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流乾擾和抑制低頻干擾信號的強度。

帶多層屏蔽的隔離變壓器。當含有直流或低頻干擾的交流信號從一次側端輸入時，根據變壓器原理，二次側輸出的信號濾掉了直流乾擾，且低頻干擾信號幅值也被大大衰減，從而達到了抑制干擾的目的。另外，在變壓器的一次側和二次側線圈外設有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用，中間用銅，與鐵心相連並直接接地，起靜電屏蔽作用。這三層屏蔽層是為了防止外界電磁場通過變壓器對電路形成干擾，這種隔離變壓器具有很強的抗干擾能力。

3、繼電器隔離

繼電器線圈和觸點僅有機械上形成聯繫，而沒有直接的電的聯繫，因此可利用繼電器線圈接受電信號，而利用其觸點控制和傳輸電信號，從而可實現強電和弱電的隔離。同時，繼電器觸點較多，且其觸點能承受較大的負載電流，因此應用非常廣泛。

圖7-7 多層隔離變壓器

圖 7-8 繼電器隔離

實際使用中，繼電器隔離指適合於開關量信號的傳輸。系統控制中，常用弱電開關信號控制繼電器線圈，使繼電器觸電閉合和斷開。而對應於線圈的觸點，則用於傳遞強電迴路的某些信號。隔離用的繼電器，主要是一般小型電磁繼電器或幹簧繼電器。

濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由於干擾源發出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當接受器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。這時，可以採用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。

常用濾波器根據其頻率特性又可分為低通、高通、帶通、帶阻等濾波器。低通濾波器只讓低頻成分通過，而高於截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。高通濾波器只通過高頻成分，而低於截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。帶通濾波器只讓某一頻帶範圍內的頻率成分通過，而低於下截止和高於上截止頻率的成分均受抑制，不讓通過。帶阻濾波器只抑制某一頻率範圍內的頻率成分，不讓其通過，而低於下截止和高於上截止頻率的頻率成分則可通過。

在機電一體化系統中，常用低通濾波器抑制由交流電網侵入的高頻干擾。圖7-9所示為計算機電源採用的一種LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的220V工頻電源通過截止頻率為50Hz的濾波器，，其高頻信號被衰減，只有50Hz的工頻信號通過濾波器到達電源變壓器，保證正常供電。

圖 7-9 低通濾波器

圖7-10所示電路中，7-10a所示為觸點抖動抑制電路，對於抑制各類觸點或開關在閉合或斷開瞬間因觸點抖動所引起的干擾是十分有效的。圖7-10b所示電路是交流信號抑制電路，主要是為了抑制電感性負載在切斷電源瞬間所產生的反電勢。這種阻容吸收電路，可以將電感線圈的磁場釋放出來的能力，轉化為電容器電場的能量儲存起來，以降低能量的消散速度。圖7-10c所示電路是輸入信號的阻容濾波電路。類似的這種線路，既可作為直流電源的輸入濾波器，亦可作為模擬電路輸入信號的阻容濾波器。

雙T型帶阻濾波器，可用來消除工頻（電源）串模干擾。圖中輸入信號U1經過兩條通路送到輸出端。當信號頻率較低時，C1、C2和C3阻抗較大，信號主要通過R1、R2傳送到輸出端，當信號頻率較高時，C1、C2和C3容抗很小，接近短路，所以信號主要通過C1、C2傳送到輸出端。只要參數選擇得當，就可以使濾波器在某個中間頻率f0時，由C1、C2和R3，支路傳送到輸出端的信號U2’，與由R1、R2和C3支路傳送到輸出端的信號U”2大小相等、相位相反，互相抵消，於是總輸出為零。f0為雙T濾波器的諧振頻率。在參數設計時，使f0=50Hz，雙T型帶阻濾波器就可濾除工頻干擾信號。

圖7-11 雙T型帶阻濾波器

將電路、設備機殼等與作為零電位的一個公共參考點（大地）實現低阻抗的連接，稱之謂接地。接地的目的有兩個：一是為了安全，例如把電子設備的機殼、機座等與大地相接，當設備中存在漏電時，不致影響人身安全，稱為安全接地；二是為了給系統提供一個基準電位，例如脈衝數字電路的零電位點等，或為了抑制干擾，如屏蔽接地等。稱為工作接地。工作接地包括一點接地和多點接地兩種方式。

1、一點接地

串聯一點接地，由於地電阻r1，r2和r3，是串聯的，所以各電路間相互發生干擾，雖然這種接地方式很不合理，但由於比較簡單，用的地方仍然很多。當各電路的電平相差不大時還可勉強使用；但當各電路的電平相差很大時就不能使用，因為高電平將會產生很大的地電流並干擾到低電平電路中去。使用這種串聯一點接地方式時還應注意把低電平的電路放在距接地點最近的地方。

並聯一點接地方式。這種方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是，需要連很多根地線，用起來比較麻煩。

2、多點接地

多點接地所需地線較多，一般適用於低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。

3、地線的設計

機電一體化系統設計時要綜合考慮各種地線的佈局和接地方法。數控機牀接地系統形成三個通道：信號接地通道，將所有小信號、邏輯電路的信號、靈敏度高的信號的接地點都接到信號地通道上；功率接地通道，將所有大電流、大功率部件、晶閘管、繼電器、指示燈、強電部分的接地點都接到這一地線上；機械接地通道，將機櫃、底座、面板、風扇外殼、電動機底座等機牀接地點都接到這一地線上，此地線又稱安全地線通道。將這三個通道再接到總的公共接地點上，公共接地點與大地接觸良好，一般要求地電阻小於4 ～7 。並且數控櫃與強電櫃之間有足夠粗的保護接地電纜，如截面積為5.5～14mm2的接地電纜。因此，這種地線接法有較強的抗干擾能力，能夠保證數控機牀的正常運行。

圖 7-14 數控機牀的接地

1、軟件濾波

用軟件來識別有用信號和干擾信號，並濾除干擾信號的方法，稱為軟件濾波。識別信號的原則有兩種：

（1）時間原則 如果掌握了有用信號和干擾信號在時間上出現的規律性，在程序設計上就可以在接收有用信號的時區打開輸入口，而在可能出現干擾信號的時區封閉輸入口，從而濾掉干擾信號。

（2）空間原則 在程序設計上為保證接收到的信號正確無誤，可將從不同位置、用不同檢測方法、經不同路線或不同輸入口接收到的同一信號進行比較，根據既定邏輯關係來判斷真偽，從而濾掉干擾信號。

（3）屬性原則 有用信號往往是在一定幅值或頻率範圍的信號，當接收的信號遠離該信號區時，軟件可通過識別予以剔除。

2、軟件“陷阱”

從軟件的運行來看，瞬時電磁干擾可能會使CPU偏離預定的程序指針，進入未使用的 RAM區和ROM區，引起一些莫名其妙的現象，其中死循環和程序“飛掉”是常見的。為了有效地排除這種干擾故障，常用軟件“陷阱法”。這種方法的基本指導思想是，把系統存儲器（RAM和ROM）中沒有使用的單元用某一種重新啓動的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般當CPU執行該條指令時，程序就自動轉到某一起始地址，而從這一起始地址開始，存放一段使程序重新恢復運行的熱啓動程序，該熱啓動程序掃描現場的各種狀態，並根據這些狀態判斷程序應該轉到系統程序的哪個入口，使系統重新投入正常運行。

3、軟件“看門狗”

“看門狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或軟件）的辦法要求使用監控定時器定時檢查某段程序或接口，當超過一定時間系統沒有檢查這段程序或接口時，可以認定系統運行出錯（干擾發生），可通過軟件進行系統復位或按事先預定方式運行 。“看門狗”，是工業控制機普遍採用的一種軟件抗干擾措施。當侵入的尖鋒電磁干擾使計算機“飛程序”時，WATCHDOG能夠幫助系統自動恢復正常運行。

第三節 提高系統抗干擾的措施

從整體和邏輯線路設計上提高機電一體化產品的抗干擾能力是整體設計的指導思想，對提高系統的可靠性和抗干擾性能關係極大。對於一個新設計的系統，如果把抗干擾性能作為一個重要的問題來考慮，則系統投入運行後，抗干擾能力就強。反之，如等到設備到現場發現問題才來修修補補，往往就會事倍功半。因此，在總體設計階段，有幾個方面必須引起特別重視。

對於一個具體的機電一體化產品，在滿足生產工藝控制要求的前提下，邏輯設計應儘量簡單，以便節省元件，方便操作。因為在元器件質量已定的前提下，整體中所用到的元器件數量愈少，系統在工作過程中出現故障的概率就愈小，亦即系統的穩定性愈高。但值得注意的是，對於一個具體的線路，必須擴大線路的穩定儲備量，留有一定的負載容度。因為線路的工作狀態是隨電源電壓、温度、負載等因素的大小而變的。當這些因素由額定情況向惡化線路性能方向變化，最後導致線路不能正常工作時，這個範圍稱為穩定儲備量。此外，工作在邊緣狀態的線路或元件，最容易接受外界干擾而導致故障。因此，為了提高線路的帶負載能力，應考慮留有負載容度。比如一個TTL集成門電路的負載能力是可以帶8個左右同類型的邏輯門，但在設計時，一般最多隻考慮帶5—6個門，以便留有一定裕度。

由於干擾引起的誤動作多是偶發性的，因此應採取某種措施，使這種偶發的誤動作不致直接影響系統的運行。因此，在總體設計上必須設法使干擾造成的這種故障能夠儘快地恢復正常。通常的方式是，在硬件上設置某些自動監測電路。這主要是為了對一些薄弱環節加強監控，以便縮小故障範圍，增強整體的可靠性。在硬件上常用的監控和誤動作檢出方法通常有數據傳輸的奇偶檢驗（如輸入電路有關代碼的輸入奇偶校驗），存儲器的奇偶校驗以及運算電路、譯碼電路和時序電路的有關校驗等。

從軟件的運行來看，瞬時電磁干擾會影響：堆棧指針SP、數據區或程序計數器的內容，使CPU偏離預定的程序指針，進入未使用的RAM區和ROM區，引起一些如死機、死循環和程序“飛掉”等現象，因此，要合理設置軟件“陷阱”和“看門狗”並在檢測環節進行數字濾波（如粗大誤差處理）等。

1、合理選擇接地 許多機電一體化產品，從設計思想到具體電路原理都是比較完美的。但在工作現場卻經常無法正常工作，暴露出許多由於工藝安裝不合理帶來的問題，從而使系統容易接受干擾，對此，必須引起足夠的重視。如選擇正確的接地方式方面考慮交流接地點與直流接地點分離；保證邏輯地浮空（是指控制裝置的邏輯地和大地之間不用導體連接）；保證使機身、機櫃的安全地的接地質量；甚至分離模擬電路的接地和數字電路的接地等等。

2、合理選擇電源 合理選擇電源對系統的抗干擾也是至關重要的。電源是引進外部干擾的重要來源。實踐證明，通過電源引入的干擾噪聲是多途徑的，如控制裝置中各類開關的頻繁閉合或斷開，各類電感線圈（包括電機、繼電器、接觸器以及電磁閥等）的瞬時通斷，晶閘管電源及高頻、中頻電源等系統中開關器件的導通和截止等都會引起干擾，這些干擾幅值可達瞬時千伏級，而且佔有很寬的頻率。顯而易見，要想完全抑制如此寬頻帶範圍的干擾，必須對交流電源和直流電源同時採取措施。

大量實踐表明，採用壓敏電阻和低通濾波器可使頻率範圍在20kHz～100MHz之間的干擾大大衰減。採用隔離變壓器和電源變壓器的屏蔽層可以消除20kHz以下的干擾，而為了消除交流電網電壓緩慢變化對控制系統造成的影響，可採取交流穩壓等措施。

對於直流電源通常要考慮儘量加大電源功率容限和電壓調整範圍。為了使裝備能適應負載在較大範圍變化和防止通過電源造成內部噪聲干擾，整機電源必須留有較大的儲備量，並有較好的動態特性。習慣上一般選取0.5～1倍的餘量。另外，儘量採用直流穩壓電源。直流穩壓電源不僅可以進一步抑制來自交流電網的干擾，而且還可以抑制由於負載變化所造成的電路直流工作電壓的波動。

3、合理佈局

對機電一體化設備及系統的各個部分進行合理的佈局，能有效地防止電磁干擾的危害。合理佈局的基本原則是使干擾源與干擾對象儘可能遠離，輸入和輸出端口妥善分離，高電平電纜及脈衝引線與低電平電纜分別敷設等。

對企業環境的各設備之間也存在合理佈局問題。不同設備對環境的干擾類型、干擾強度不同，抗干擾能力和精度也不同，因此，在設備位置佈置上要考慮設備分類和環境處理，如精密檢測儀器應放置在恆温環境，並遠離有機械衝擊的場所，弱電儀器應考慮工作環境的電磁干擾強度等。

一般來説，除了上述方案以外，還應在安裝、佈線等方面採取嚴格的工藝措施，如佈線上注意整個系統導線的分類佈置，接插件的可靠安裝與良好接觸，注意焊接質量等。實踐表明，對於一個具體的系統，如果工藝措施得當，不僅可以大大提高系統的可靠性和抗干擾能力，而且還可以彌補某些設計上的不足之處。

7-1、簡述干擾的三個組成要素。

7-2、機電一體化系統中的計算機接口電路通常使用光電藕合器，請問光電藕合器的作用有哪些？

7-3、控制系統接地通常要注意哪些事項？

7-4、我國強制進行機電產品的“3C”認證。“3C”認證是什麼含義？有什麼意義？

7-5、為什麼國家嚴令禁止個人和集體私自使用大功率無繩電話？

7-6、請解釋收音機（或電台）的頻道（信號）接收工作原理。

7-7、什麼是工頻？工頻濾波原理是什麼？

7-8、計算機控制系統中，如何用軟件進行干擾的防護。