在機電一體化的自動(dòng)控制系統設計過(guò)程中，不可避免地使用到許多的感性器件。這些器件不僅會(huì )產(chǎn)生電磁干擾，而且會(huì )造成觸點(diǎn)間的電火花或電弧干擾（也稱(chēng)為瞬變噪聲干擾）。這種干擾不僅會(huì )影響控制系統的正常工作，而且會(huì )對電源造成污染使電網(wǎng)受到?jīng)_擊。

 

近期在水質(zhì)綜合毒性在線(xiàn)自動(dòng)分析控制系統的設計研究中，使用了電磁閥和繼電器等感性元器件。初步設計中對感性器件抗干擾的設計考慮不足，出現了許多問(wèn)題：系統程序經(jīng)常跑飛，控制器死機；器件出現誤操作，系統無(wú)法正常工作。本文主要針對該系統設計過(guò)程中出現的問(wèn)題進(jìn)行分析，從而得出自動(dòng)控制系統設計中抑制感性器件和設備干擾的基本措施。

 

 

系統的關(guān)鍵執行單元是數據采集部分，執行器件主要是步進(jìn)電機和電磁閥。這兩種器件皆為感性負載，是引入干擾的主要器件。設計中系統要求步進(jìn)電機扭矩比較小，成熟的驅動(dòng)電路具有良好的抗干擾能力。所以電磁閥控制部分是本系統最大的干擾來(lái)源。

 

為實(shí)現測試液劑的精確添加，系統設計中采用了精密的電磁閥作為流量電磁開(kāi)關(guān)。鑒于以往設計中經(jīng)常遇到電壓不足導致電磁閥不能完全打開(kāi)的情況，系統選用交流220V供電電磁閥以滿(mǎn)足對其完全開(kāi)閉控制的要求。電磁閥的開(kāi)閉控制則采用了性?xún)r(jià)比合理的繼電器作為關(guān)鍵控制器件?？刂齐姶砰y的驅動(dòng)電路框圖如圖1。

 

 

由圖1可以看出，系統引入了兩種感性器件：繼電器和電磁閥。系統測試運行未接入電磁閥時(shí)，運行正常。當接入電磁閥時(shí)，系統出現程序跑飛，死機等現象。這就證實(shí)了：電磁閥是本系統最主要的干擾源。本文將針對電磁閥開(kāi)閉時(shí)產(chǎn)生干擾的情況進(jìn)行詳細的分析。

 

電磁閥開(kāi)啟和斷開(kāi)時(shí)，其內部線(xiàn)圈中電流會(huì )發(fā)生突變。由電磁感應定律可知，電路中會(huì )形成一個(gè)很大的反向感應電動(dòng)勢，這個(gè)感應電動(dòng)勢便是系統產(chǎn)生干擾的根源所在。感性線(xiàn)圈可以等效成理想電感和電阻的串聯(lián)，線(xiàn)圈本身又具有分布電容。把電源電壓在某時(shí)刻的瞬時(shí)值用直流電源來(lái)等效。電磁閥斷開(kāi)前后的等效電路如圖2。

 

 

開(kāi)關(guān)K閉合電路處于穩態(tài)時(shí)電容電壓為E，流過(guò)電感的電流為I＝E／R。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后電磁閥側電路構成RLC二階串聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。電容電壓UC將按照二階網(wǎng)絡(luò )的規律變化。由基爾霍夫定律可得：

 

 

由，可得二階齊次微分方程：

 

 

其特征方程為：

 

由此解得特征根為：

 

 

特征解的情況可分為三種情況：

 

1）時(shí)，為兩個(gè)不相等的實(shí)根。此時(shí)電路處于過(guò)阻尼振蕩狀態(tài)。

 

2）時(shí)，為兩個(gè)相等的實(shí)根。電路處于臨界阻尼振蕩狀態(tài)。

 

3）時(shí)，為兩個(gè)共軛虛根。電路處于欠阻尼振蕩狀態(tài)。

 

由物理知識和電路分析知識可知，當

 

電路處于欠阻尼振蕩狀態(tài)時(shí)，會(huì )出現最大值。經(jīng)計算得：

 

 

其中，。A的值與0時(shí)刻初始值有關(guān)。

 

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，Uc（0）為0時(shí)，將達到最大值。此種情況下，電感中儲能最大。負載側電壓最高，往往可以達到數千伏，故干擾最嚴重，以此為初始條件可以求得負載側電壓為：

 

 

以上分析可知，使用開(kāi)關(guān)來(lái)控制電磁閥的開(kāi)閉時(shí)會(huì )產(chǎn)生頻率高、幅值大的感應電壓（它被稱(chēng)為“浪涌電壓”）。這個(gè)電壓往往會(huì )超過(guò)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙最小擊穿電壓（一般為320V），出現電弧擊穿現象。這時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并不是一次性完成的，而是一個(gè)反復的開(kāi)、閉串過(guò)程，這就會(huì )造成接點(diǎn)間電火花或電弧干擾（也稱(chēng)瞬變噪聲干擾）。這個(gè)過(guò)程會(huì )導致產(chǎn)生含有豐富高頻諧波的干擾信號。

 

系統設計中，為了使用方便選用了比較常用的交流220V電磁閥作為執行器件。電磁閥的開(kāi)閉控制器件選用了性?xún)r(jià)比比較高的5V直流繼電器。繼電器的內部結構以及與

電磁閥的接口如圖3所示。

 

 

由圖3可以看出，交流電磁閥直接掛接在220V的交流供電線(xiàn)上，控制電磁閥開(kāi)閉的是繼電器。繼電器控制端的電感線(xiàn)圈作為電磁鐵而存在，系統通過(guò)控制線(xiàn)圈的通斷電來(lái)控制銜鐵動(dòng)作，從而實(shí)現對被控制端觸點(diǎn)開(kāi)閉的控制。雖然繼電器的控制端和被控制端實(shí)現了電氣隔離，但是繼電器的開(kāi)閉是通過(guò)機械動(dòng)作實(shí)現的。這就難以避免的出現電弧擊穿現象，擊穿過(guò)程中的電弧、電火花會(huì )導致強烈的電磁干擾，它會(huì )通過(guò)電感耦合的方式進(jìn)入控制端，致使控制端受到一定程度的干擾。

 

另外，繼電器本身也是一種感性器件，所以控制系統為了避免這些感性器件引入干擾，通常采用光電耦合的方式來(lái)進(jìn)行隔離。一般來(lái)說(shuō)采用光電隔離技術(shù)可以避免一般感性器件應用所導致的干擾問(wèn)題。常用的接口電路如圖4所示。圖中U2是光電耦合器件，本系統采用的是光耦4N25。電路中二極管D1作為續流管，能很大程度上抑制繼電器產(chǎn)生的浪涌電壓從而降低干擾強度。盡管如此，如果控制系統的電源和地線(xiàn)不做特殊的設計，繼電器的干擾作用依然存在，干擾信號會(huì )通過(guò)地線(xiàn)串入控制系統，使得系統電源不穩定。

 

 

 

為了徹底解決感性器件導致的干擾問(wèn)題，使控制系統正常工作。設計方案經(jīng)過(guò)了多次改進(jìn)。本處主要針對系統設計中采用的抑制措施進(jìn)行介紹。

 

（1）采用RC吸收回路進(jìn)行干擾抑制

 

第二部分理論分析告訴我們，含感性器件的電路開(kāi)閉過(guò)程中產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢大小與等效電路中的電阻和電容值有關(guān)，所以可以通過(guò)引入RC網(wǎng)絡(luò )的方式來(lái)對干擾進(jìn)行抑制。RC吸收回路是抑制感性負載干擾的一種可靠的解決方案。這種方法價(jià)格低廉，選擇合適的參數可以得到良好的干擾抑制效果，并且對交直流電源都適用。

 

采用RC吸收回路時(shí)需要對電阻、電容的參數做合理的選擇。在直流回路中，電容的參數值為0．01～2μF，線(xiàn)圈電感越大，則C也越大；R的參數值為幾十到幾百歐姆。交流回路中，C的參數值為0．4～1μF（2μF），電容的耐壓值；R值為幾十到幾千歐，電阻的額定功率為2W。一般情況下，R、C的值選擇100Ω和0．1μF即可，當觸點(diǎn)容量比較大時(shí)可以選擇470Ω和0．47μF。經(jīng)實(shí)驗驗證感性負載的RC網(wǎng)絡(luò )配置參數如表1所示：

 

 

還應注意的是RC吸收回路需要被直接并聯(lián)在電感線(xiàn)圈的兩端，而不能直接接在電子控制裝置上，主要原因是連接線(xiàn)過(guò)長(cháng)時(shí)，導線(xiàn)的分布參數會(huì )影響RC吸收回路的作用。本系統使用的電磁閥其線(xiàn)圈電感不是很大，故RC吸收電路的電阻和電容參數值選用常用值100Ω和0．47μF即可。實(shí)際操作中將電阻和電容連接好后，直接接在靠近電磁閥的兩根電源線(xiàn)上即可。

 

（2）電源及地線(xiàn)的設計

 

為防止感性負載引入的干擾串入電源，設計中繼電器供電電源和控制器電源應嚴格分開(kāi)，繼電器采用獨立供電方式。另外，由于干擾也會(huì )通過(guò)地線(xiàn)自耦合串入控制系統，因此線(xiàn)路板布局和布線(xiàn)時(shí)，繼電器的地線(xiàn)要和其它器件的地線(xiàn)嚴格分隔開(kāi)來(lái)。圖5是控制器線(xiàn)路板上電源和地線(xiàn)的連接示意框圖。由圖可以看出控制器和其它接口電路共用電源B和數字地GNDB。繼電器部分則使用獨立的電源A，地線(xiàn)也是獨立的地GNDB。數字地和模擬地通過(guò)0電阻實(shí)現單點(diǎn)接地。這樣可以很好的防止繼電器干擾污染控制器電源或者通過(guò)地線(xiàn)串入控制系統。

 

 

（3）電磁干擾的屏蔽設計

 

本系統存在多個(gè)控制器，主控制器和輔助控制器之間通過(guò)串行通信實(shí)現協(xié)調工作。為了實(shí)現控制器間的正常通信和系統的正常工作，也為了使系統本身產(chǎn)生的電磁干擾不污染外界環(huán)境，設計中必須考慮電磁干擾的屏蔽處理。

 

金屬屏蔽體的屏蔽效能是由反射損耗和吸收損耗而得到的。對于電場(chǎng)的屏蔽，屏蔽體必須接地；對于磁場(chǎng)的屏蔽，屏蔽體則不必接地。

 

系統控制器間通信信號采用屏蔽電纜進(jìn)行傳輸。屏蔽電纜的屏蔽效能，主要不是因反射和吸收衰減而引起的，而是由屏蔽層接地所產(chǎn)生。所以屏蔽電纜的屏蔽層一定要接地才能起到屏蔽作用。屏蔽電纜的屏蔽效能與所用的材料、屏蔽層的編織密度和線(xiàn)纜的彎曲程度等因素有關(guān)系。系統設計中采用屏蔽層編織密度比較高的單芯細纜。這種屏蔽電纜的優(yōu)點(diǎn)是，電纜彎曲時(shí)不會(huì )對屏蔽效果有太大影響，而且線(xiàn)纜比較的細適合狹小空間接線(xiàn)、走線(xiàn)。非常適合本系統布線(xiàn)困難的特點(diǎn)。

 

線(xiàn)路板被裝配在性?xún)r(jià)比比較高的金屬?lài)蛑?，由此?shí)現電磁屏蔽。圍框的金屬層比較的厚，足以實(shí)現對強磁場(chǎng)的屏蔽。圍框兩個(gè)側面打細孔作為走線(xiàn)孔，整個(gè)圍框通過(guò)導線(xiàn)與大地連接，從而實(shí)現良好的接地。

 

 

自動(dòng)控制系統設計中常用到感性負載器件和設備，對于這些器件的抗干擾設計是個(gè)難點(diǎn)。文中針對近期設計水質(zhì)綜合毒性在線(xiàn)自動(dòng)分析控制系統中出現的干擾問(wèn)題（主要由感性器件電磁閥和繼電器引起，現象為：經(jīng)常性的程序跑飛、死機和顯示器花屏等）做了深刻的理論分析，并提出了一套行之有效的抑制措施。對調整后的系統進(jìn)行反復測試，結果表明：系統本身運轉正常，穩定性良好；系統對周?chē)h(huán)境的電磁干擾影響極??；對交流220V電網(wǎng)的污染也控制到了要求范圍內。

 

參考文獻

 

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