機(jī)電一體化抗干擾技術(shù)分析

張宏遠(yuǎn)

【摘 要】機(jī)電一體化是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)投入工業(yè)應(yīng)用環(huán)境運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總會(huì)受到電網(wǎng)、空間與周?chē)h(huán)境干擾。若系統(tǒng)抵御不住干擾的沖擊，各電氣功能模塊將不能進(jìn)行正常的工作，微機(jī)系統(tǒng)往往會(huì)因干擾產(chǎn)生程序“跑飛”，傳感器模塊將會(huì)輸出偽信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)模塊將會(huì)輸出畸變的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作失常，最終導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。為此，針對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)受到的干擾問(wèn)題，進(jìn)行了一定的分析，并提出了一些具體的解決辦法。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；抗干擾；解決辦法

機(jī)電一體化發(fā)展至今也已成為一門(mén)有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。

1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾源

從干擾竄入系統(tǒng)的渠道來(lái)看，系統(tǒng)所受到的干擾源分為供電干擾、過(guò)程通道干擾、場(chǎng)干擾等。

1.1供電干擾

大功率設(shè)備會(huì)造成電網(wǎng)的嚴(yán)重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度地漲落、浪涌，大功率開(kāi)關(guān)的通斷，電動(dòng)機(jī)的啟停等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)很高的尖峰脈沖干擾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電源的投入、瞬時(shí)短路、欠壓、過(guò)壓、電網(wǎng)竄入的噪聲引起CPU誤動(dòng)作及數(shù)據(jù)丟失占各種干擾的90%以上。

1.2過(guò)程通道干擾

過(guò)程通道干擾主要來(lái)源于長(zhǎng)線(xiàn)傳輸。當(dāng)系統(tǒng)中有電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者傳感器測(cè)量部件絕緣不好等；及各通道的傳輸線(xiàn)如果處于同根電纜或捆扎在一起，尤其是將信號(hào)線(xiàn)與交流電源線(xiàn)處于同一根管道時(shí)，產(chǎn)生的共模或差模電壓都會(huì)影響系統(tǒng)，使系統(tǒng)無(wú)法工作。

1.3場(chǎng)干擾

系統(tǒng)周?chē)目臻g總存在著磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)，如太陽(yáng)及天體輻射；廣播、電話(huà)、通訊發(fā)射臺(tái)的電磁波；周?chē)蓄l設(shè)備發(fā)出的電磁輻射等。這些場(chǎng)干擾會(huì)通過(guò)電源或傳輸線(xiàn)影響各功能模塊的正常工作，使其中的電平發(fā)生變化或產(chǎn)生脈沖干擾信號(hào)。

2.抗供電干擾的措施

2.1配電系統(tǒng)的抗干擾

可采用分立式供電方案，就是將組成系統(tǒng)各模塊分別用獨(dú)立的變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路構(gòu)成的直流電源供電，這樣就減少了集中供電的危險(xiǎn)性，而且也減少了公共阻抗以及公共電源的相互耦合，提高了供電的可靠性，也有利于電源散熱。另外，交流電的引入線(xiàn)應(yīng)采用粗導(dǎo)線(xiàn)，直流輸出線(xiàn)應(yīng)采用雙絞線(xiàn)，扭絞的螺距要小，并盡可能縮短配線(xiàn)長(zhǎng)度。

2.2利用電源監(jiān)視電路

在配電系統(tǒng)中實(shí)施抗干擾措施是必不可少的，但這些仍難抵御微秒級(jí)的干擾脈沖及瞬態(tài)掉電，特別是后者屬于惡性干擾，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。

因此應(yīng)采取進(jìn)一步的保護(hù)性措施，即使用電源監(jiān)視電路。電源監(jiān)視電路需具有監(jiān)視電源電壓瞬時(shí)短路、瞬間降壓和微秒級(jí)干擾及掉電的功能；及時(shí)輸出供CPU接受的復(fù)位信號(hào)及中斷信號(hào)等功能。

3.過(guò)程通道抗干擾措施

抑制過(guò)程通道上的干擾，主要措施有光電隔離、雙絞線(xiàn)傳輸、阻抗匹配、電流傳輸以及合理布線(xiàn)等。

3.1光電隔離

利用光電耦合器的電流傳輸特性，在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)可以將模塊間兩個(gè)光電耦合器件用連線(xiàn)“浮置”起來(lái)，這種方法不僅有效地消除了各電氣功能模塊間的電流流經(jīng)公共線(xiàn)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓互相竄擾，而且有效地解決了長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配問(wèn)題。

3.2雙絞線(xiàn)傳輸

在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸中，雙絞線(xiàn)是較常用的一種傳輸線(xiàn)，與同軸電纜相比，雖然頻帶較窄，但阻抗高，降低了共模干擾。由于雙絞線(xiàn)構(gòu)成的各個(gè)環(huán)路，改變了線(xiàn)間電磁感應(yīng)的方向，使其相互抵消，因而對(duì)電磁場(chǎng)的干擾有一定的抑制效果。

3.3阻抗匹配

長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)，若收發(fā)兩端的阻抗不匹配，則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，使信號(hào)失真，其危害程度與傳輸?shù)念l率及傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度有關(guān)。

3.4電流傳輸

長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。

3.5合理布線(xiàn)

強(qiáng)電饋線(xiàn)必須單獨(dú)走線(xiàn)，強(qiáng)信號(hào)線(xiàn)與弱信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡量避免平行走向。

4.軟件抗干擾技術(shù)

各種形式的干擾最終會(huì)反映在系統(tǒng)的微機(jī)模塊中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差、控制狀態(tài)失靈、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)竄改以及程序運(yùn)行失常等后果，雖然在系統(tǒng)硬件上采取了上述多種抗干擾措施，但仍然不能保證微機(jī)系統(tǒng)正常工作。因?yàn)檐浖垢蓴_是屬于微機(jī)系統(tǒng)的自身防御行為，實(shí)施軟件抗干擾的必要條件是：

（1）在干擾的作用下，微機(jī)硬件部分以及與其相連的各功能模塊不會(huì)受到任何損毀，或易損壞的單元設(shè)置有監(jiān)測(cè)狀態(tài)可查詢(xún)。

（2）系統(tǒng)的程序及固化常數(shù)不會(huì)因干擾的侵入而變化。

（3）RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)在干擾侵入后可重新建立，并且系統(tǒng)重新運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不允許的數(shù)據(jù)。

抑制數(shù)據(jù)采樣的干擾可采用：數(shù)字濾波，寬度判斷抗尖峰脈沖干擾等辦法，也可采用重復(fù)檢查法，偏差判斷法來(lái)檢查判斷是否有干擾信號(hào)。而程序運(yùn)行失常的軟件抗干擾措施一般有：

（1）設(shè)置WATCHDOG功能，由硬件配合，監(jiān)視軟件的運(yùn)行情況，遇到故障進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（2）設(shè)置軟件陷阱，當(dāng)程序指針失控而使程序進(jìn)入非程序空間時(shí)，在該空間中設(shè)置攔截指令，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫其轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)。

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