1、1 控制系统抗干扰技术 概述 Technical outline for protection against disturbance of control system 2 1 抗干扰问题提出的背景 1） 系统集成化程度的提高 电子管 的工作电压： 250Vac 晶体管 的工作电压： 24Vdc 随着微电子技术的发展，大规模集成芯片内单位面积的元件数越 来越多，所传递的 信号电流也越来越小 ，系统的 供电电压也越来越低 ， 现已降到 5V、 3V乃至 1.8V。因此， 芯片对外界的噪声也越趋敏感 ，所 以显示出来的 抗干扰能力也就很低 。 3 2）电磁环境日趋复杂 由于目前是信息社会，所以：
2、 电气、电子、通信 设备量 猛增； 频带 日益加宽； 功率 越来越大； 传输速率 越来越高； 加之 雷害日趋严重 ，因而受 电磁干扰 的威胁也逐渐增大。 4 3） 控制系统自身的特点 控制系统不但系统复杂，设备多， 输入 /输出（ I/O）端口多 ， 特别是 外部的连接电缆又多又长 ，这类似于是拾取噪声的 高效天 线 ，给噪声的耦合提供了充分的条件，使得各种噪声容易侵入控制 系统。 5 欲提高控制系统的抗干扰能力： 1）在 设计系统本身 的电子线路、结构以及软件时应于考虑的各项 抗干扰措施。 2）提高控制系统在 工程应用中 的抗干扰技术 。 控制系统的抗干扰问题 ， 不可能期望仅通过提高控制系
3、统本身的 抗干扰能力来解决。 6 2 噪声和干扰 对有用信号以外的所有电子信号总称为 噪声。 按 噪声的来源 可以将噪声源分成三大类： 1） 本征噪声源 ，其来源于物理系统 内部的 随机波动，例如热噪声 等； 2） 人为噪声源 ，例如电机、开关、数字电子设备、无线电发射装 置等在运行过程中所带来的噪声； 3） 自然界干扰引起的噪声 ，例如雷击和太阳的黑子活动等。 7 本征噪声为 内部噪声 ，人为噪声和自然界干扰引起的噪声均为 外部噪声 （本书讨论的是对外部噪声的抑制）。 人为噪声源 又可分成 有意发射 噪声源和 无意发射 噪声源。所谓 有意发射噪声源是专用于辐射电磁能的设备，如广播、电视、通讯
4、 等发射设备，是通过 向空间发射有用信号的电磁能量来工作的 ，它 们会对不需要这些信号的控制系统构成干扰。 但也有许多装置 无意 地在发射电磁能量，如汽车的点火系统、 电焊机、钠灯和日光灯等照明设备以及电机设备等。它们可能通过 传导、辐射向控制系统发射电磁能以干扰系统的正常运行。 8 按噪声的频率范围分类 名称 频率范围 典型的噪声源 工频和音频噪声 50Hz及其谐波 输电线、工频用电设备 甚低频噪声 30kHz以下 首次雷击 载频噪声 10kHz 300kHz 高压直流输电高次谐波、交流输电高次谐波 射频、视频噪声 300kHz 300MHz 钠灯和日光灯等照明设备、图像监控系统、对讲机、直
5、流开关电源 微波噪声 300MHz 100GHz 微波通信、微波炉 9 取决 噪声危害性 严重程度的三要素 噪声源的 频率 愈高（意味着电流、电压、电场和磁场的强度的 变 化率愈高 ）； 离噪声源的 距离 愈近； 噪声源本身的 功率 愈大（如 变频器 的主回路）。 则噪声源产生的 危害性 就愈大。 10 何谓干扰？ 当噪声电压大到足够大时，足以在接收中造成 骚扰 使一个电路产 生误操作，这就是一个 干扰 。 噪声是一种电子信号 ，它是不能消除的，而只能在量级上尽量 减小直到不再引起干扰。而 干扰是指某种效应 ，是由于噪声对电路 造成的一种不良反应。所以电路中存在着噪声，但不一定形成干扰。 11
6、 3 构成噪声（干扰）问题的三要素 噪声的 耦合途径 噪声源 感受体 1）产生噪声的 源头 是什么？ 2）哪些是对噪声有敏感的 感受体 ？ 3）将噪声从源头传送到感受体的 耦合途径 是什么？ 12 抑制干扰的三种基本方法： 1）尽量将客观存在的 噪声源的强度在发生处进行抑制 ，这是最有 效的方法。但是并非所有的噪声源都可以抑制的，如雷击、无线电 天线发射等。 2） 提高感受体对干扰的抗扰度 ，这取决于系统本身的抗干扰能力。 3）减小或拦截通过耦合路径 噪声的传输量 ，即 减少耦合路径上 噪声的传输量 。 13 例：直流电动机系统 电动机 控制电路 直流 电动机 弱信号回路 噪声电流 (传导 ）
7、 （电磁辐射） 电刷和换向器之间产生的电火花是主要的噪声源。 14 传导和辐射是噪声的基本耦合途径。 在这种情况下，不大可能对 噪声源 采用更多的抑制措施。因而 只能通过抑制耦合路径的方式来消除干扰： 减小 通过导线 传导 到电动机控制电路的噪声量（ 隔离 和 滤波 等 ）； 屏蔽 来自导线的 辐射 噪声。 15 4 噪声的耦合途经 从物理概念上说，噪声的传播途经大致有五种： 导线直接 传导 耦合； 经 公共阻抗 的耦合； 电容性 耦合； 电感性 耦合； 电磁场 耦合。 16 导线直接传导耦合 所谓的 导线直接传导耦合 系指噪声是通过信号线和交、直流电源 线以及通信线等 将信号源或电源里夹带的
8、噪声直接传导给电路 。这 种耦合是最常见的，如 串模干扰 都属此例。 抑制此类噪声的最基本 方法就是避免导线拾取噪声 ，或者在它干扰敏感电路前用 去耦或滤 波 （包括数字滤波）的方式消除噪声。 17 公共阻抗耦合电路 18 最常见的公共阻抗耦合例子： 接地系统 。 减小公共阻抗耦合的基本方法： 减小公共阻抗的阻值。 19 电容性耦合 又称 静电耦合 或静电感应，它是由电路间 电场 的相 互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着 分布电 容 。 电感性耦合 又称 电磁耦合 或电磁感应，它是由电路间 磁场 的相 互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着 互感 。 这两种耦合
9、加上前述的导线直接传导耦合和经公共阻抗的耦合 均称为 传导性耦合 。其中电容性耦合和电感性耦合又称为 近场辐射 。 此外还有 电磁场辐射 ，它又称为 辐射耦合 或 远场辐射 ，它是电 场和磁场相结合的耦合，并通过 能量的辐射 对线路产生干扰的。 20 严格地说，有关噪声问题的求解，需要通过 麦克斯韦方程组 才能得到，该方程组是三个空间变量（ x、 y、 z）和时间（ t）的 函数。这样，问题就变得非常复杂，非一般工程技术人员能够接 受和理解。为此，在本书里，我们还是 采用“电路”的理论 用集中 参数来近似地求解。所以我们采取了如下的 假设 ： 1）用一个连接在两导体间的 电容 来表示两导体间存
10、在的一个随时 间变化的 电场 ； 2）用一个连接在两导体间的 互感 来表示两导体互相耦合的一个随 时间变化的 磁场 ； 21 5 串模干扰和共模干扰 按 干扰源 VC和信号源 VS的连接关系 ，或者说按干扰源 VC对电路的 作 用形态 有串模干扰和共模干扰之分。 所谓 串模干扰就是干扰源 Vc串联于信号源 Vs之中 。或者简单地 认为干扰源 Vc和信号源 Vs是迭加在一起的。在输入回路中干扰源 Vc 与信号源 Vs所处的地位完全相同。串模干扰也称 横向干扰 或 差模干 扰 。 22 测量 系统 测量 系统 Vs Vc Vc Vs 串模干扰 共模干扰 23 串模干扰 源自于： 1）信号线受 空间
11、电磁辐射 的感应； 2）通过 变送器的供电电源 串入的电网干扰； 3） 信号源本身 产生的干扰。 24 放大器的地和信号源的地之间由于地电平的差异所形成的干扰 称共模干扰 ，或谓出现在测量电路端子和地之间的一种干扰形式， 也称 纵向干扰 或 共态干扰 。这种干扰（地电位差）在实际测量中是 普遍存在的，根据干扰环境、被测信号源和测量系统的距离等因 素， 这地电位差一般可以达几伏、十几伏甚至 100V以上，在雷击时 甚至可达数十万伏以上的浪涌电压。 25 对 单端对地输入系统 ，共模干扰全部转换成串模干扰影响测量系统的。 26 双端对地输入系统 27 该图所示的双端对地系统，共模干扰并不直接影响电
12、路的，它 是 通过输入电路的不对称转化成串模电压造成干扰的 。 如果仅考虑共模干扰 ,即 信号为零、输入阻抗 Z5为无限大时 ,那 么作用在 Z5上的电压为 : CVZZZZZZV ）（32341428 如果电路对称 ,即 Z1=Z2,Z3=Z4,则 V=O；一般电路做不到完全对 称，所以 V不等于零，所以共模干扰就对测量系统产生影响。 衡量一个测量控制系统的抗串模噪声和抗共模噪声的能力，可 以用 串模干扰抑制比 SMRR和 共模干扰抑制比 CMRR来表示。 式中： Uc 共模干扰的 交流峰值电压 ，单位伏特； U 施加共模干扰电压 前后的 示值 变化所对应的电量值 变化，单位伏特。 UUC M R R C lg2029 串模干扰和共模干扰的试验值 名称 信号量程 共模干扰电压 串模干扰电压 电流信号输入 （ 4-20） mA 250Vac,50Hz （ 353 5V峰值） 1VAC， 50HZ （ 1.414V峰值） (0-10)mA 电压信号输入 （ 0-5） V （ 0-20） mV 50mV,50HZ (0.0707V峰值）) （ 0-100） mV 热电阻信号输入 Pt100 Cu50 30 式中： Us 串模干扰交流峰值电压 ，单位伏特； U 施加串模干扰电压前后的 示值变化所对应的电量值变化 ，单位伏特。 UUSM R R s lg20
