机电一体化抗干扰技术分析

张宏远

【摘 要】机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统。机电一体化系统投入工业应用环境运行时，系统总会受到电网、空间与周围环境干扰。若系统抵御不住干扰的冲击，各电气功能模块将不能进行正常的工作，微机系统往往会因干扰产生程序“跑飞”，传感器模块将会输出伪信号，功率驱动模块将会输出畸变的驱动信号，使执行机构动作失常，最终导致系统产生故障，甚至瘫痪。为此，针对机电一体化系统在工业应用环境运行时，系统受到的干扰问题，进行了一定的分析，并提出了一些具体的解决办法。

【关键词】机电一体化；抗干扰；解决办法

机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。

1.机电一体化系统的干扰源

从干扰窜入系统的渠道来看，系统所受到的干扰源分为供电干扰、过程通道干扰、场干扰等。

1.1供电干扰

大功率设备会造成电网的严重污染，使得电网电压大幅度地涨落、浪涌，大功率开关的通断，电动机的启停等原因，电网上常常出现很高的尖峰脉冲干扰。据统计，电源的投入、瞬时短路、欠压、过压、电网窜入的噪声引起CPU误动作及数据丢失占各种干扰的90%以上。

1.2过程通道干扰

过程通道干扰主要来源于长线传输。当系统中有电气设备漏电，接地系统不完善，或者传感器测量部件绝缘不好等；及各通道的传输线如果处于同根电缆或捆扎在一起，尤其是将信号线与交流电源线处于同一根管道时，产生的共模或差模电压都会影响系统，使系统无法工作。

1.3场干扰

系统周围的空间总存在着磁场、电磁场、静电场，如太阳及天体辐射；广播、电话、通讯发射台的电磁波；周围中频设备发出的电磁辐射等。这些场干扰会通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作，使其中的电平发生变化或产生脉冲干扰信号。

2.抗供电干扰的措施

2.1配电系统的抗干扰

可采用分立式供电方案，就是将组成系统各模块分别用独立的变压、整流、滤波、稳压电路构成的直流电源供电，这样就减少了集中供电的危险性，而且也减少了公共阻抗以及公共电源的相互耦合，提高了供电的可靠性，也有利于电源散热。另外，交流电的引入线应采用粗导线，直流输出线应采用双绞线，扭绞的螺距要小，并尽可能缩短配线长度。

2.2利用电源监视电路

在配电系统中实施抗干扰措施是必不可少的，但这些仍难抵御微秒级的干扰脉冲及瞬态掉电，特别是后者属于恶性干扰，可能产生严重的事故。

因此应采取进一步的保护性措施，即使用电源监视电路。电源监视电路需具有监视电源电压瞬时短路、瞬间降压和微秒级干扰及掉电的功能；及时输出供CPU接受的复位信号及中断信号等功能。

3.过程通道抗干扰措施

抑制过程通道上的干扰，主要措施有光电隔离、双绞线传输、阻抗匹配、电流传输以及合理布线等。

3.1光电隔离

利用光电耦合器的电流传输特性，在长线传输时可以将模块间两个光电耦合器件用连线“浮置”起来，这种方法不仅有效地消除了各电气功能模块间的电流流经公共线时所产生的噪声电压互相窜扰，而且有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题。

3.2双绞线传输

在长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线，与同轴电缆相比，虽然频带较窄，但阻抗高，降低了共模干扰。由于双绞线构成的各个环路，改变了线间电磁感应的方向，使其相互抵消，因而对电磁场的干扰有一定的抑制效果。

3.3阻抗匹配

长线传输时，若收发两端的阻抗不匹配，则会产生信号反射，使信号失真，其危害程度与传输的频率及传输线长度有关。

3.4电流传输

长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。

3.5合理布线

强电馈线必须单独走线，强信号线与弱信号线应尽量避免平行走向。

4.软件抗干扰技术

各种形式的干扰最终会反映在系统的微机模块中，导致数据采集误差、控制状态失灵、存储数据窜改以及程序运行失常等后果，虽然在系统硬件上采取了上述多种抗干扰措施，但仍然不能保证微机系统正常工作。因为软件抗干扰是属于微机系统的自身防御行为，实施软件抗干扰的必要条件是：

（1）在干扰的作用下，微机硬件部分以及与其相连的各功能模块不会受到任何损毁，或易损坏的单元设置有监测状态可查询。

（2）系统的程序及固化常数不会因干扰的侵入而变化。

（3）RAM区中的重要数据在干扰侵入后可重新建立，并且系统重新运行时不会出现不允许的数据。

抑制数据采样的干扰可采用：数字滤波，宽度判断抗尖峰脉冲干扰等办法，也可采用重复检查法，偏差判断法来检查判断是否有干扰信号。而程序运行失常的软件抗干扰措施一般有：

（1）设置WATCHDOG功能，由硬件配合，监视软件的运行情况，遇到故障进行相应的处理。

（2）设置软件陷阱，当程序指针失控而使程序进入非程序空间时，在该空间中设置拦截指令，使程序进入陷阱，然后强迫其转入初始状态。

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