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1、1,第10章 计算机控制系统的电磁兼容技术,Compatible Technique of the Electromagnetism,北京信息科技大学自动化学院 2011年6月,2019/5/24,2,教 材： 机械工业出版社，2011年 课程性质： 自动化专业必修课,第10章,10.1 电磁兼容概述 10.2 电磁干扰抑制技术 10.3 信号的长线传输,2019/5/24,3,计算机控制系统的工作环境比较恶劣，往往要和各种大功率设备协同工作，经常存在严重的干扰。 人们常常遇到这样的情况：一个在实验室运行正常的系统，当安装在实际环境中却不能稳定工作。究其原因就是电磁兼容性设计不完善。,10.1
2、 电磁兼容概述,Electromagnetic Compatibility（EMC）指一个设备或系统在其设置的预定场所投入实际运行时，应具有既不受周围电磁环境影响发生性能恶化和误动作，也不影响周围环境，而按设计要求正常工作的能力。即设备或系统在电磁环境中的适应能力。,电磁兼容标准,为了规范电子产品的电磁兼容性，所有的发达国家和部分发展中国家都制定了电磁兼容标准。 电磁兼容标准是使产品在实际电磁环境中能够正常工作的基本要求。 之所以称为基本要求，也就是说，产品即使满足了电磁兼容标准，在实际使用中也可能会发生干扰问题。大部分国家的标准都是基于国际电工委员会（IEC）所制定的标准。,电磁兼容标准,按
3、照我国国军标GJB7285电磁干扰和电磁兼容名词术语规定，电磁兼容是“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。既该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其它设备(分系统、系统)因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。,电磁干扰产生和形成的条件,有产生电磁干扰的发射体，即干扰源； 存在传递电磁干扰的途径，即耦合通道； 有承受电磁干扰的接收体，即受扰体。,从设计阶段采取措施：,抑制干扰源；,切断或衰减电磁干 扰的传播途径；,提高装置和系统的抗干扰能力。,电磁干扰抑制措施,图10-1 电磁干扰的抑制,电磁兼
4、容性设计要求,电磁兼容性不等式：,干扰源强度传播衰减因子 设备抗干扰能力,可以分别或同时采取电磁干扰抑制三措施，使不等式成立。,10.1.1 干扰源及其作用形式,计算机控制系统的电磁环境示意图如图10-2所示。所受的电磁干扰来源有空间干扰、电源干扰、设备干扰等等。这些干扰分自然干扰源和人为干扰源两类。,人为干扰源,有意发射的干扰源 广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备。 无意发射的干扰源 交通工具、架空输电线、照明用具、电动机械、家用电器和工业、科学、医疗用射频设备等。 （完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射）,外部干扰主要是空间电或磁的影响。例如输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播
5、发射的无线电波，太阳或其它天体辐射出的电磁波，空中雷电，火花放电、弧光放电、辉光放电等放电现象，甚至气温、温度等气象条件也是外来干扰。,自然干扰源,摩擦电效应：当电缆中的介质不与导体保持接触时，介质由于摩擦可以带电，这叫摩擦电效应。它往往是由于电缆机械弯曲而引起的，这种电缆的带电即成为噪声源，为此要防止电缆急剧地弯曲并防止电缆活动。,导线的运动：当一段导线在磁场中运动时，线的两端就会产生电压。由于到处都有电源线或大电流配线，因此在大多数地方都有杂散磁场，若一个工作于低电平的导线在磁场中运动，导线上就会产生噪声。这个问题在振动环境中特别严重，应将电缆固定起来。,典型的外部干扰,内部干扰则是由系统
6、结构、制造工艺等所决定的。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成电位差引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。,电磁干扰的作用形式,从机理上看，各种干扰通过不同的耦合方式进入系统后，对系统的作用形式都可分为共模干扰形式和串模干扰形式。,1 串模干扰,串模干扰是指叠加（串联）在工作信号上的干扰噪声 (又称横向干扰或正态干扰、常态干扰) 。如图10-3，串模干扰和被测信号在回路中所处的地位是相同的。 产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合，以及50HZ的工频干扰等。,图10-3 串模干扰示意图,2 共模干扰
7、,（也称为纵向干扰或共态干扰、同相干扰） 由不同的“地”而引起 例如用于控制的计算机的地、信号放大器的地以及现场信号源的地之间，通常要相隔一段距离，在两地之间往往存在着一个电位差VCm ，其一般表现形式如图10-4所示，其中为共模电压。这种干扰可以是直流电压或交流电压。,图10-4 共模干扰示意图,10.1.2 干扰的传播途径,1.传导耦合 （1）沿电源线传导的电磁干扰,19,图10-5 沿电源线的传导干扰,（2）通过公共阻抗的耦合,2019/5/24,20,图10-6 公共电源内阻的耦合,（3）通过公共地阻抗的耦合,2019/5/24,21,图10-7 公共地线阻抗耦合,2.辐射耦合,辐射耦
8、合是干扰通过介质以电磁波的形式向周围空间发射。在辐射耦合中，干扰源周围的空间按到干扰源的距离远近可以分为两个区域。以 为界，距离小于 的区域称为近场区或感应场区。近区场按干扰源的性质可以分为以电场为主的容性高阻抗场和以磁场为主的感性地阻抗场。 （1）天线耦合 （2）场对导线的耦合 （3）导线对导线的耦合,22,10.2 电磁干扰抑制技术,针对干扰的来源、传播方式及其作用形式，我们从硬件的角度讨论电磁干扰抑制技术。硬件系统的电磁兼容性设计是提高系统抗电磁干扰能力的根本方法。,2019/5/24,23,10.2.1 滤波,滤波是利用滤波器的选择特性，使有用信号顺利通过滤波电路而不受或受到很小衰减的
9、同时阻止干扰信号的通过，从而达到抑制和防止干扰的目的。通常按功能将滤波器分为信号滤波器和电磁干扰滤波器。电磁干扰抑制中使用的电磁干扰滤波器的目的是防止电磁干扰电流在导线上传输。电磁干扰滤波器以低通滤波器为主。,2019/5/24,24,图10-12 二级阻容滤波,图10-13中A、B是高速逻辑电路器件，电路导线的电感和电阻形成阻抗Z2、Z3、Z4、Z5，在高频时成为噪声的根源，往往使逻辑元件误动作。接入电容C1、C2可有效防止干扰。C1、C2叫旁路电容，与Z2、Z5等构成去耦滤波器。信号在较高频率范围内而不含直流分量时，常常在这类元器件附近接入高频特性好的电容。,2019/5/24,25,图1
10、0-13 去耦滤波器,10.2.2 屏蔽,屏蔽是在空间区域中进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域向另一个区域传播。屏蔽一般可以分为两种类型：静电屏蔽和电磁场屏蔽。,2019/5/24,26,对静电场感应的防护，主要是利用法拉第电磁笼原理，通过接地的良导体的静电屏蔽作用，使静电场电力线不能到达敏感设备。,1、静电屏蔽,例如，两条导线，向导线1加交流电压V1，因静电耦合作用，导线2产生电压V2，V2叫做静电感应电压。,静电屏蔽不仅仅用于导线，也可将整个电路装进金属箱中，将该箱接地，以防噪声，这时称为屏蔽壳。电子设备大多把整机装入金属壳，该壳接地便能对外部噪声起到屏蔽作用。,2、电磁屏蔽
11、,电磁屏蔽是利用辐射电磁场在金属界面上的反射和金属屏蔽层的吸收来抑制电磁辐射干扰的。根据电磁场理论，当电磁波入射到金属表面时将分为两部分，一部分被反射，另一部分通过界面继续传播，并在金属内传播途中不断受到衰减。如图10-21所示，穿过第一界面的能量，经衰减后到达第二界面时，有一部分穿过第二界面，成为干扰敏感设备的残余能量；另一部分被第二界面反射，在此折回到第一界面去。这样在金属屏蔽层内，能量多次反射和吸收。,电磁屏蔽是设法使回路1的磁通发生扭曲，或将其引向它方、避免与回路2交链。可以在两个电路之间置一磁导率很高的金属板，消除电磁耦合。 例如，易受外来磁通影响的变压器和磁头等部件，可置入玻莫合金
12、等高磁导率的外壳内，以防止磁通进入它们内部。,10.2.3 接地,接地是保护设施和人身安全的必要手段，也是控制电磁干扰、保证设备电磁兼容性、提高设备可靠性的重要技术措施。通常电子设备或系统的接地可以分为两类：安全接地和信号接地。 一般来说，低频电路采用单点接地，高频电路采用多点接地，当频率10MHz时多点接地。频带很宽时，采用单点接地和多点接地相结合的方式。,1.单点接地,单点接地有串联和并联两种。所谓串联接地是指用公共接地线接到电位基准点，需接地部分就近接到该公共接地线上。由于接地导线具有一定的阻抗，故当电流流经接地导线时就会产生压降，所以接地线上任意两点的电位不会相等。,10-24 串联单
13、点接地示意图,图10-25 并联单点接地,图10-27 计算机控制系统的接地,a、高频电路就近多点接地和低频电路一点接地的原则； b、交流地与信号地分离； c、数字地与模拟地分开走线，只在一点汇集； d、功率地线应粗，且与小信号地线分开，而与直流地相连； e、信号地以5导体一点入地。,计算机控制系统地线标准要求，一般应在周围埋设网状地线，其阻值应小于10，最好为45。,2.多点接地,所谓多点接地是指设备中各个电路接地点都直接接到距它最近的接地平面上，以保证地线长度最短，如图10-28所示。,图10-28 高频电路多点接地示意图,3.混合接地,电子设备中既有高频电路，又有低频电路时，或电路工作频
14、率范围从低频到高频，应考虑采用混合接地。实际系统内部基本上都是混合接地。,2019/5/24,36,有时单点接地难以实现时，可以采用隔离技术能切断地环路。在用弱电设备控制强电设备时，强电设备会对弱点设备产生干扰，需要在接口处进行隔离，切断干扰传输的路径。通常有变压器隔离和光电隔离两种。,10.2.4 隔离,1. 光电隔离,通过光电耦合器件切断两个电路之间的电气联系，信号是通过光路传递的，如图10-31所示。发光二极管的发光强度随电路1的输出电流大小变化而改变，光强的变化使光电晶体管电流发生变化，从而将信号传到电路2。由于发光管和晶体管之间无导线连接，因此切断了地环路。,38,2. 电磁隔离,利
15、用变压器来切断环流，如图10-32所示。电路1输出的信号经变压器耦合到电路2，地环路被切断，两电路有各自的地电位基准，互相独立而互不干扰。采用隔离变压器后，两电路之间的电联系被隔断了，信号通过耦合的形式传递。,2019/5/24,39,3. 继电器隔离,电磁继电器是利用线圈中有电磁力时衔铁吸合，无电磁力时衔铁断开来实现电路的导通与断开。固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。无论是电磁继电器还是固态继电器，输入回路和输出回路之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的输入回路接受电气信号，而用输出回路输出信号，从而避免强电和弱电
16、信号之间的直接联系，实现了抗干扰隔离。,2019/5/24,40,4. 浮地屏蔽,采用浮地输入双层屏蔽放大器来切断环流，抑制共模干扰。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模噪声的目的。如图10-33所示。,2019/5/24,41,10.2.5 供电技术,计算机控制系统一般由交流电网供电（220V AC，50Hz）。电网的干扰，频率的波动将直接影响到系统的可靠性与稳定性。此外，在系统正常运行过程中，计算机的供电不允许中断，否则不但会使计算机丢失数据，而且还会影响生产。因此，必须考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电。,42,1、供电系统的一般保护,2019/5/24,43,图10-34 一般计算机控制系统的供电结构,2、电源异常的保护,2019/5/24,44,图10-35 具有不间断电源的供电结构,10.3 信号的长线传输,工业控制中，信息的获取与处理设备之间、控制机构与执行机构之间需要进行信号的传输，信号的传输往往容易引起干扰，尤
