摘要:分析和探討了微機控制材料
試驗機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,以達到提高微機控制試驗機系統(tǒng)試驗結(jié)果的可靠性和精確度。
因微機控制設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集量大、精確度高、方便快捷等優(yōu)點,并能實現(xiàn)比模擬控制復(fù)雜得多的試驗要求,所以
材料試驗機系統(tǒng)實現(xiàn)微機化自動控制已是勢在必行。但是,自動控制設(shè)備所用元器件和電子線路具有工作信號電平低、速度快等特點,在工業(yè)現(xiàn)場必然會受到各種干擾。由于微機控制系統(tǒng)的控制精度更高,干擾對其影響更加嚴(yán)重,工業(yè)現(xiàn)場的干擾不僅會影響到微機控制試驗機系統(tǒng)的控制精度甚至?xí)绊懫湔＿\行,以至于影響到試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。可見,微機控制試驗機系統(tǒng)的干擾是個急待解決的重要問題。
為了采取切實有效的抗干擾措施,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。本研究對該問題進行了分析,并對其解決方法進行初步探索。
1、微機控制材料試驗機在運行過程中出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象
試驗機在運行過程中會出現(xiàn)如下現(xiàn)象:當(dāng)附近的試驗機開高溫爐或是附近的大功率設(shè)備開機時,試驗機會出現(xiàn)作動筒瞬間峰值的情況。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機不穩(wěn)定、載荷無輸出的情況。
2、微機控制試驗機干擾源的分析
2.1 來自電網(wǎng)的干擾
微機控制材料試驗機的電源是220V電壓,相電壓因電網(wǎng)功率不平衡會出現(xiàn)不穩(wěn)定。產(chǎn)生負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)竄入微機控制試驗機系統(tǒng)干擾其正常工作。
2.2 來自信號通道的干擾
微機控制試驗機系統(tǒng)需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以控制試驗機的動作,試驗機的反饋信號會將外界干擾由輸入、輸出通道引入試驗機系統(tǒng)。
2.3 地線干擾
試驗機系統(tǒng)接地不良或接地方法不正確,干擾會很容易地通過地線竄到試驗機系統(tǒng)內(nèi)部;同時,因?qū)嶋H地電阻為零,地線各點存在電位差,也會干擾試驗系統(tǒng)的正常工作。
2.4 空間電磁干擾
試驗機的各種外接連線很多,所有的動力線、電源線相當(dāng)于一個個輻射天線,試驗機系統(tǒng)的任一線路、導(dǎo)線、殼體會在空間產(chǎn)生輻射、接收和調(diào)制。
2.5 反電動勢產(chǎn)生的干擾
帶線圈的器件(如繼電器、變壓器、電動機)作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件在接通或斷開的瞬間,負載電感產(chǎn)生反電動勢,若不加以抑制,會經(jīng)輸出回路反饋到微機控制試驗機系統(tǒng),并沖擊正常運行的微機控制系統(tǒng),使運行程序混亂,甚至于損壞電子元器件。
3、微機試驗機系統(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)電源為試驗機系統(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)電源為微機控制試驗機系統(tǒng)供電,否則不僅不能抑制干擾還會產(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,從而提高了試驗機系統(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,原則上每個集成電路芯片的電源線和地線間接一個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,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預(yù)定值,從而有效地保護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TVS管,可起到保護電源次級后面電路免受脈沖干擾的沖擊。
3.1.2 信號通道的干擾抑制
(1)材料試驗機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)材料試驗機輸入通道并接TVS管以保護輸入后面線路的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。
(3)材料試驗機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)材料試驗機對反電動勢的抑制有兩種抑制辦法:一是在帶線圈器件(如繼電器、電動機)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電阻、二極管串聯(lián)電路,也可同時在RC或RD電路兩端并接一個壓敏電阻或TVS管。
3.1.3 試驗機系統(tǒng)接地的抗干擾措施
(1)試驗機輸入信號回路虛地技術(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系統(tǒng)性能優(yōu)劣,而前放部分引入的干擾信號則很難進行徹底消除。為了盡可能地減少類似干擾,采用了信號回路虛地技術(shù),即信號參考端與模擬電路的地回路之間以零電流相連結(jié),由此保證信號回路與模擬回路達到準(zhǔn)隔離(如圖1所示)。
(2)微機控制試驗機系統(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,并將此干擾信號疊回到信號回路中,由此影響到最終的采集數(shù)據(jù)。為了確保試驗數(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,以充分實現(xiàn)將所有干擾信號屏蔽、隔離在信號回路之外這一抗干擾目標(biāo)。比如,微機機殼地與交流地通過DC-DC變換進行隔離;將模擬地和數(shù)字地通過光電耦合器進行隔離,將模擬地和信號地通過信號回路虛地技術(shù)進行隔離等等。通過這樣一級級的隔離措施使得信號回路多級浮置于系統(tǒng)地(機殼地)之上,從而達到保護信號回路,保護和凈化輸入信號的目的。
(3)試驗機主機和外部設(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。材料試驗機多采用數(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控制試驗機柜置于密閉的金屬機殼內(nèi),機殼直接接大地。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 選取合適的采樣時間
對于具有積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來說,采樣時間應(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
在實際應(yīng)用中應(yīng)針對不同的材料試驗機在不同的試驗環(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)的抗干擾措施以達到抑制干擾提高微機控制試驗機系統(tǒng)性能的目的。通過對微機控制試驗機系統(tǒng)干擾源的分析(包括來自電網(wǎng)、信號通道、地線、空間電磁干擾和反電動勢產(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)倍的采樣時間,上述大部分軟硬件抗干擾措施在實際應(yīng)用中取得較好效果,提高了材料試驗數(shù)據(jù)的可靠性和精確度。
