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控制系統(tǒng)的電磁兼容性

2011年11月25日 09:41:50 人氣: 1397 來源:
  摘要:本文簡要介紹了控制系統(tǒng)電磁干擾的機制,列舉了減小干擾源的強度、抑制干擾的傳輸、降低設備對干擾的敏感度的措施,以及對控制系統(tǒng)進行電磁兼容性測試的一般要求。
  
  1、概述
  
  控制系統(tǒng)通過輸入通道采集被控對象的相關(guān)運行參數(shù),經(jīng)中央數(shù)字處理單元DPU運算處理后通過輸出通道發(fā)出控制指令,由執(zhí)行結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)控制對象的控制參數(shù),zui終使控制對象的被控參數(shù)跟隨給定參數(shù)變化??刂葡到y(tǒng)的實際運行環(huán)境不可避免地充滿作各種電磁干擾,閉環(huán)控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)因電磁干擾出現(xiàn)功能失常,都將造成被控參數(shù)偏離給定參數(shù)的要求,使產(chǎn)品質(zhì)量下降。嚴重時會使被控對象停止運行,甚至損壞被控對象。提高控制系統(tǒng)的兼容性,使其在電磁干擾環(huán)境下也能順利完成規(guī)定的控制任務具有非常重要的意義。
  
  控制系統(tǒng)的電磁干擾主要有來自外部的:空間輻射干擾、電源線傳導干擾、信號線傳導的干擾、接地系統(tǒng)干擾;來自內(nèi)部的:電源/地噪聲、信號間串擾、信號傳輸反射干擾??刂葡到y(tǒng)的電磁兼容性設計任務是研究產(chǎn)生干擾的機制、抑制干擾的措施,保障控制系統(tǒng)在規(guī)定的干擾環(huán)境,能完成規(guī)定的任務。在偶然出現(xiàn)強干擾后,控制系統(tǒng)也能自動恢復正常運行,并且被控對象運行狀態(tài)變化在可接受的范圍內(nèi)。我們可以從設法減小干擾源的強度、抑制干擾的傳輸、降低設備對干擾的敏感度等三個方面入手。
  
  2、減小干擾源的強度
  
  2.1限制信號邊沿時間
  
  在控制的電子設備中,隨著信號的傳遞必然伴隨著電壓或電流的變化。隨著電路板工作頻率的增加,要求信號邊沿的上升時間和下降時間越來越小,電壓或電流變化得越快干擾強度也越大。因此可能的情況下應盡量采用響應速度較低的器件,必要時可在信號驅(qū)動端的信號線在串聯(lián)一個小電阻,減小信號變化速率。
  
  2.2降低地阻抗
  
  信號地線公共阻抗上的電位差,對信號的傳遞會產(chǎn)生干擾。干擾隨著信號瞬間電流增大、頻率增高、阻抗增大而增大。采用完整地平面為信號提供低阻抗返回路徑。對于1MHz以下部分常采用單點接地方式,更高頻率部分常采用多點接地方式。
  
  2.3降低電源噪聲
  
  開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài),會產(chǎn)生高頻電磁輻射沿導線和空間向外傳播,干擾其它電子設備。通常在開關(guān)電源輸入輸出兩端需設置高抑制比的π型濾波器,并且必要時還應加屏蔽罩。
  
  在器件的電源地之間設置濾波電容、電感,不但可降低電源線的噪聲,而且可減小對電源干擾的敏感度。
  
  2.4降低時鐘信號噪聲
  
  時鐘信號頻率高、邊沿陡峭易產(chǎn)生電磁干擾,應盡量減少時鐘信號的走線長度,減少過孔,采用終端阻抗匹配以避免信號反射。給時鐘信號提供完整的返回通路,盡量減小信號回路面積。用地線將時鐘信號與敏感線路隔離。
  
  3、抑制干擾的傳輸
  
  3.1屏蔽電纜
  
  控制系統(tǒng)的I/0信號電纜通常很長,鋪設環(huán)境電磁環(huán)境較差,為了隙住經(jīng)導線因電磁感應而產(chǎn)生干擾,需要采用屏蔽電纜。屏蔽線必須采用一端接地,避免形成地環(huán)路造成干擾。通常選擇電子控制設備集中的機柜側(cè)接地。
  
  3.2屏蔽罩
  
  采用導電性能好的鐵磁性材料制作電子控制設備的外殼機箱、機柜,可減少空間高頻電磁場對控制系統(tǒng)的干擾。設法機箱各金屬件間可靠電氣連接不但可提高屏蔽效果,而且降低靜電的影響。盡量減小通風孔、縫隙尺寸,必須也對其采取屏蔽措施,抑制電磁輻射。
  
  3.3接地
  
  按照接地功能可分為保護地、信號地。設備外殼金屬部分必須良好接地(保護地),以保護人身安全。信號地是整個控制系統(tǒng)工作的參考電位。由于一個工業(yè)控制系統(tǒng)的I/0信號分布區(qū)域較大,為了減小地電位波動對系統(tǒng)的干擾,應采用“實地”,避免采用“浮地”。
  
  3.4電源濾波器
  
  公共電源線路上掛接了許多用電設備,某些大型設備,如電機、變頻器等,在工作時會產(chǎn)生大量諧波。應在控制設備的電源輸入端設置電源濾波器,以抑制沿電源線路傳導來的干擾。
  
  3.5抑制串擾
  
  為了減小模擬電路與數(shù)字電路間的串擾,應將模擬、數(shù)字電路分開布局;應盡量縮短導線長度和增大導線間的距離,增大電源平面和地平面,以減小信號線路間的互感、互容。
  
  4、降低對干擾的敏感度
  
 ?。?)設置保護器件
  
  電磁干擾極易沿導線引入對控制設備造成干擾。在控制設備進、出線端設置適當?shù)谋Wo器件。如TVS管、壓敏電阻、氣體放電管、自恢復保險等。
  
 ?。?)設置信號濾波
  
  在敏感電路中適當設置濾波、限幅電路,抑制干擾信號強度。采用工頻限波算法軟件濾波。
  
 ?。?)處理空閑管足
  
  閑置不用的輸入管足不能懸空,應將其連接到電源或地。
  
 ?。?)采用差分傳輸電路
  
  差分平衡電路具有很好的對稱性,可大幅度抑制共模干擾。對稱差分信號的共模電壓為零,信號幅度也僅為單端信號的一半,因此產(chǎn)生的干擾也小一半。對于遠距離傳輸?shù)奈⑷跣盘?、高頻率信號建議采用差分傳輸方式。
  
  (5)采用隔離電路
  
  采用隔離電路(如光隔離器、變壓器)將各系統(tǒng)隔離開來,可有效抑制共模電壓產(chǎn)生的干擾。在A/D、D/A轉(zhuǎn)換器與信號端子間應設置運算放大器,以降低干擾影響。
  
 ?。?)抑制尖脈沖
  
  采用適當硬件電路及固件措施,將脈沖寬度小于預定值的干擾信號濾除。
  
 ?。?)合理設置復位信號
  
  分別給各智能芯片設置復位信號,使CPU在檢測到某智能芯片功能異常時,先通過向該芯片發(fā)送控制字喚醒它,若不行可復位信號僅使該芯片復位,可避免故障擴大。
  
  (8)采用可靠的時鐘信號
  
  因A/D芯片易受干擾,應盡量避免采用A/D芯片內(nèi)部時鐘。
  
  (9)輸出保持
  
  在控制設備剛上電時(冷啟動),控制輸出信號(開出、模出)的初始值應保持掉電時的狀態(tài)。
  
  在控制設備正常運行期間,若WATCHDOG動作CPU復位(熱啟動),控制輸出信號應保持不變。
  
 ?。?0)冗余設計
  
  采用周期循環(huán)輸出控制信號;設置冗余設備采用冗余裁判(3取2、3取中等)邏輯。
  
  (11)信號跟蹤
  
  通訊線路離線后剛上線時,向控制設備寫出的初始信號應跟蹤控制設備中該信號原來的值。避免因通訊離線、上線,給控制系統(tǒng)造成影響。
  
  5、電磁兼容性測試
  
  通過試驗檢測控制設備在特定電磁干擾環(huán)境下的抗*。要求控制設備在干擾環(huán)境下的能正確完成預定的控制功能。若控制設備出現(xiàn)短暫精度下降、復位等現(xiàn)象,只要不對被控對象參數(shù)造成不可接受的影響,干擾消失后控制設備能迅速恢復正常,還是可以接受的。不允許控制設備在干擾環(huán)境下出現(xiàn)*性失效的情況。
  
 ?。?)靜電放電試驗
  
  模擬人體帶電、帶電設備接近或接觸控制設備時通過靜電放電產(chǎn)生的干擾。由于放電電流非常大且持續(xù)時間很短,若放電回路中有電子元器件,易將其損壞。電流產(chǎn)生的電磁輻身娜使CPU復位、CPU死機、通訊離線。
  
  應對人體所有可能接觸到的金屬部分(外殼、接線端子、接插件)按GB/T17626.2標準要求電壓大小進行接觸放電和空間放電試驗。
  
  試驗合格判據(jù):控制設備不損壞、CPU不死機、開關(guān)量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%,干擾消失后控制系統(tǒng)能自動恢復正常。
  
 ?。?)快速瞬變脈沖群試驗
  
  模擬電網(wǎng)中感性負載切除時產(chǎn)生的脈沖干擾。干擾信號通過電源線、I/0信號線傳導進控制設備,若處理不當易造成I/0信號誤差、通訊離線、CPU死機等現(xiàn)象。
  
  按GB/T17626.4標準要求對控制設備的電源線、I/O信號線進行快速瞬變脈沖群試驗。
  
  試驗合格判據(jù):控制設備不損壞、CPU不死機、開關(guān)量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%,干擾消失后控制系統(tǒng)能自動恢復正常。
  
 ?。?)浪涌沖擊試驗
  
  模擬電網(wǎng)中容性負載投入時產(chǎn)生的脈沖干擾。干擾信號通過電源線、I/0信號線傳導進控制設備,若處理不當易造成I/0信號誤差、通訊離線、CPU死機、元器件損壞等現(xiàn)象。
  
  按GB/T17626.4標準要求對控制設備的電源線、I/0信號線進行快速瞬變脈沖群試驗。
  
  試驗合格判據(jù):控制設備不損壞、CPU不死機、開關(guān)量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%,干擾消失后控制系統(tǒng)能自動恢復正常。
  
  (4)電壓暫降試驗
  
  模擬電網(wǎng)中大型設備投入時引起的電壓突降現(xiàn)象。電源突降易造成CPU死機、通訊離線等現(xiàn)象。
  
  按GB/T17626.10標準要求對控制設備電壓暫降試驗。
  
  試驗合格判據(jù):控制設備不損壞、CPU不死機、開關(guān)量I/O信號無錯誤、模擬量I/0信號精度不低于1%,干擾消失后控制系統(tǒng)能自動恢復正常。
  
  6、總結(jié)
  
  提高控制系統(tǒng)的兼容性,使其在電磁干擾環(huán)境下也能順利完成規(guī)定的控制任務具有非常重要的意義。我們在智能透平控制器的開發(fā)設計過程中,不僅要正確實現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)格書所要求的各種控制功能,而且還按照本文介紹的方法考慮產(chǎn)品的電磁兼容性問題。2009年3月生產(chǎn)的*樣機在和利時公司電磁兼容實驗室通過了靜電放電、快速瞬變脈沖群、浪涌沖擊、電壓暫降等實驗室所有的試驗項目嚴格測試。并且*智能透平控制器已在浙江龍游一家電廠投入連續(xù)運行,實踐證明該產(chǎn)品功能正常、性能穩(wěn)定可靠。
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