机电控制系统抗干扰分层设计

而不是测试? 本文根据控制系统设计过程? 提出了机电控制系统分层抗干扰设计方法0
关键词! 机电控制; 抗干扰; 分层; 设计
中图分类号! TP802+.6
文献标识码! A 文章编号! 1009-9492 (2006) 04-0035-03
随着各种电器设备的不断增加? 机电控制系统所处的 电磁环境日益复杂? 为了保证控制系统的稳定性和可靠 性? 抗干扰设计逐渐成为了一个急需解决的问题0 控制器 抗 干 扰 (EMI) 措 施 包 括 硬 件 抗 干 扰 措 施 和 软 件 抗 干 扰 措 施? 目前在这两方面都有不少的研究0 但是? 在实际控制 系统设计时? 需要将这些抗干扰措施有效地\ 方便地应用 于设计0
4 模块层解决 EMI 问题
模块层 EMI 设计包括关键电路模块的抗干扰设计和整 个控制模块的抗干扰措施两个方面
l 关键电路模块 EMI 设计 l 电源模块 电源干扰是控制器干扰的最主要形式 因此 提供稳 定洁净的电源 避免欠压 过载 浪涌 下陷等干扰对控 制器稳定工作非常关键 电源干扰的抑止可以采用以下几 个 措 施 ! 采 用 DC / DC 变 换 器 给 控 制 器 提 供 纯 净 电 源
图 4 带二极管的复位电路
3 时钟电路 时 钟 电 路 产 生 CPU 工 作 时 序 脉 冲 7 是 CPU 正 常 工 作 的关键部件 0 如果时钟信号受到干扰 7 CPU 工 作 时 序 就 会 发生错误7 从而导致 CPU 工作失控0 时钟电路不仅是受干 扰对象7 它同时还是干扰源7 时钟信号是高频方波7 其干 扰谐波频率很高7 容易产生辐射干扰7 影响板上其它器件 正 常 工 作 0 因 此 7 为 了 提 高 时 钟 信 号 EMC 性 能 7 可 以 采 取以下措施 满足系统功能的情况下7 尽量降低时钟频率 有助于提高系统电磁兼容性能9 时钟电路要尽量靠近控制 芯片7 时钟电路引线要尽量短\ 粗9 如果布线允许7 可以 用地线将时钟回路包围起来0 4 输入回路抗干扰设计 开关量输入回路要消除开关输入抖动干扰0 软件消除 抖动干扰主要是采用延迟读入7 或者是多次读入判别0 硬 件上主要使用 RC 去抖动电路7 对 抖 动 干 扰 进 行 抑 制 0 负 逻辑传输能够提高抗干扰能力7 尽可能使用负逻辑输入0 对于可能引入干扰的开关量输入7 采取光电隔离等措施7 将干扰阻断于计算机系统的外面0 模拟量输入信号的主要 干扰来自于电源干扰和信号间耦合干扰0 因此7 在硬件上 要采取一些措施 字地和模拟地分开7 防止地线干扰9 尽 量使数字信号线与模拟信号线远离9 如果使用独立的 A/D 芯片7 则其电源和地间要接去耦电容9 在软件上可以采用 数字滤波技术7 剔除干扰信号0 5 输出回路抗干扰设计 为了避免将外部的干扰引入计算机7 需要使用输出隔 离0 计算机输出通常控制功率接口装置7 因此7 它会向计
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机电工程技术 2006 年第 35 卷第 4 期
工业控制
用 DC / DC 变 换 器 的 副 边 给 计 算 机 供 电 7 避 免 将 干 扰 带 入 控制计算机9 ! 使用滤波器抑制高频干扰9 " 并联压敏 电阻7 利用其非线性和承受浪涌电压能力吸收电压干扰9 # 使用二极管抑制电压瞬变0
2 复位电路 CPU 需要可靠复位后才能正常 工 作 7 但 是 复 位 电 路 容 易受到电源干扰0 简单的复位电路只由电阻 R 和电容 C 组 成0 当电源瞬时断电或者有一下陷时7 由于电容不能及时 放电7 当电源恢复后7 CPU 不能上电自 动 复 位 0 因 此 7 为 了保证正常复位7 通常在电阻两端并联一个二极管7 如图 4 所示0
控制器输入输出连接线缆的布置应当遵循第 2 大点 2 小点提出的布线建议 在允许的情况下 线缆的长 度尽可能短 动力线和信号线之间要保持一定间隔 在 设计时要考虑阻抗匹配 避免出现信号传输过程中的发 射 振铃 耦合等干扰
为了增强抗干扰能力 在连接线缆的选择上可以使用 双绞线 屏蔽线甚至光纤 双绞线因为其回路面积最小 因此抑制电磁感应干扰的能力较强 如果使用屏蔽线 要 注意良好接地才能起到很好的屏蔽作用 光纤的抗干扰能 力 最 强 德 国 宝 马 在 新 款 最 高 级 轿 车 中 就 铺 设 了 50 米 塑 料光纤 POF 将来如果光缆的成本下降 它可能被广泛 应用于解决线缆干扰问题 但目前而言成本太高 而且即 使信号线使用光纤 电源线干扰问题依然存在
本文根据机电控制系统设计的过程和思路? 提出控制 器分层抗干扰设计方法? 从元件层开始? 分成五个层次给 出控制系统抗干扰设计方法 (图 I)? 从而为机电控制系统 抗干扰设计提供参考0
图 1 控制系统抗干扰分层设计
I 元件层 EMI 控制
电子元件可以分为有引脚元件和表面贴装元件0 有引
脚的元件有寄生效果? 尤其是频率高时? 它会形成一个小
5 应用层 EMI 设计
应用层抗干扰设计主要是采用软件抗干扰技术0 进入 控制器的干扰频谱往往很宽7 且具有随机性7 采用硬件抗 干扰措施具有一定的局限性7 只能抑制某一种类或者某个 频率段的干扰7 仍有一些干扰可能侵入系统0 因此7 除了 采取硬件抗干扰方法外7 还要采取软件抗干扰措施0 采用 软件抗干扰技术一方面可以提高效能\ 节省硬件7 用软件 的功能去取代硬件9 另一方面可以用软件去解决硬件解决 不了的问题 3 0
4 二极管选择 二极管是最简单的半导体器件 在很多场合二极管的 使 用 有 助 于 提 高 电 路 的 EMC 性 能 齐 纳 二 极 管 工 作 于 反 向工作模式 可以用于钳位电压 另外它还具有静电保护 和过电压保护作用 肖特基二极管具有低正向压降 高电 流密度和快速反向恢复时间等特性 它具有快速瞬态信号 和 尖 脉 冲 保 护 作 用 瞬 态 电 压 抑 制 二 极 管 TVS 是 单 向 工作模式 它具有抑制瞬时尖脉冲作用 变阻二极管 VDR 具 有 快 速 瞬 态 响 应 可 以 用 于 静 电 保 护 高 压 保 护 5 集成电路 IC 选择 电 磁 干 扰 最 终 是 作 用 在 IC 芯 片 等 元 件 上 因 此 总 是 希 望 IC 芯 片 具 有 最 高 的 敏 感 度 限 值 目 前 芯 片 制 造 商 大多在芯片设计时采取了一些措施 譬如在不需要时关闭 一些高速控制线 2 对于控制系统的设计者 只能从元 件选择上来提高其抗干扰能力 在满足功能要求的前提 下 尽量选用敏感度限值高的元件 芯片的抗干扰性能指 标 是 其 噪 声 容 限 主 要 使 用 的 芯 片 有 TTL 集 成 电 路 和 CMOS 集 成 电 路 两 类 TTL 器 件 成 本 低 廉 选 择 余 地 大 CMOS 器件功耗低 比 TTL 有较高的抗干扰能力 如果仅 从提高噪声容限角度 应优先选择 CMOS 器件 如果选用 CMOS 器 件 没 有 使 用 的 引 脚 不 能 悬 空 表 面 贴 装 元 件 SMC 可以减少对外发射 选 用 SMC 元 件 不 仅 可 以 提 高 印板布置密度 改善可靠性 而且可以提高芯片间的电磁 兼容性
2 印板布线 电源线要加宽设计 电源线应尽可能靠近地线 以减 小差模辐射的环面积 对于高速数字电路 最好使用多层 板 电源采用电源层 使用电源去耦电容 在印板输入电 源线和地线之间接去耦电容 一般为一个大电解电容 l0~1O0uF 和 一 个 陶 瓷 电 容 0.0l~0.luF 另 外 印 板 上每个集成芯片电源和地之间都要加一个去耦电容 0.luF 的陶瓷电容 去耦电容的引线应尽可能的短 地线宽度 尽 可 能 宽 些 应 在 3mm 以 上 一 般 低 速 电 路 选 用 单 点 接 地方式 高速电路选用多点接地方式 接地线构成闭环路 要比单独一根根伸出来的接地线有较强的抗干扰能力 但 是接地环的面积要尽量小 信号线尽可能短 尽可能沿地 线铺设 尽量避免信号线与易产生噪声的信号线长距离的 平 行 走 线 线 宽 不 能 突 变 并 且 线 拐 角 要 大 于 90 空 间 运行情况下 线间距离尽量大些
电感? 大约 IIH / mm / 引脚? 其末端能产生小电容效应? 大
约 有 4pF0 与 此 相 比 ? 表 面 贴 装 元 件 的 寄 生 效 果 要 小 些 ?
其寄生电感为 0.5IH? 终端电容为 0.3pF0 因此? 从电磁兼
容角度看? 表面贴装元件最好? 其次是放射状引脚元件?
最后是轴向平行引脚元件0
图 2 电阻 EMC 性能比较
了其内部感抗0 钽电解电容由一块带直板和引脚连接点的
绝缘体制成? 其内部感抗低于铝电解电容0 陶瓷电容是在
陶瓷绝缘体中包围几个平行金属片0 从电磁兼容角度? 铝
电解电容和钽电解电容适用于低频情况; 在中频范围? 陶
瓷电容比较适用? 常用作去耦和滤波; 在高频范围? 可以
采用陶瓷电容和云母电容 1 0
(3) 电感选择
对电感而言? 它无所谓寄生感抗? 因此引脚类和贴
收稿日期r 2005r11r14
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工业控制
机电工程技术 2006 年第 35 卷第 4 期
图 3 电容 EMC 性能比较
片类没有差别 电感的磁心材料主要有两种 铁和铁氧 体 铁磁心电感适用于低频场合 铁氧体磁心适用于高 频场合 1
2 印板层 EMI 设计
对于控制系统抗干扰设计 最有效和成本最低的方法 就是在印板级控制电磁干扰
l 元件布置 易产生噪声的器件 大电流电路应远离控制计算机 如果条件允许 可以放在另外的板上布置 把元件按不同 种类分类 按电源电路 数字及模拟电路 高速与低速差 别 电流大小差异等分别布置 从出线端子由近及远 分 别布置高速逻辑器件 中速逻辑器件和低速逻辑器件 所 有连接器应安排在印制板的一侧 尽量避免从两侧引出电 缆 从而减小共模辐射
(1) 电阻选择
电阻选择顺序如图 效应? 其主要适用于需要高
准确度的电路? 线绕
电阻有很强的电感特
性? 其主要适用于大
功率电路0
(2) 电容选择
铝质电解电容通
常在绝缘薄层之间以
螺旋状缠绕金属箔而
制成? 从而可以在单
位体积内得到较大的 电容值? 但这也增加
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工业控制
机电控制系统抗干扰分层设计
余召锋 I! 徐鸣谦 2! 于 颖 2
"1.上海大众汽车有限公司! 上海 200000# 2.同济大学机械学院! 上海 200093$
摘要! 日益严格的电磁兼容法规和用户对可靠性的苛刻要求使得机电系统的电磁兼容问题日益突出0 良好的电磁兼容来自于设计
3 连接层抗干扰设计
在这一层解决干扰问题通常要使用屏蔽线 双绞线 滤波器等措施 这往往会增加成本 但是 这些措施的使 用可以直接将内部干扰或者外部干扰隔离开来 从而使得 其它方面的设计简单
所有连接器应尽量安排在印制板的一侧 尽量避免从 两侧引出电缆 对于屏蔽很好的控制器 如果线缆可能引 入干扰 这时可以选用带滤波功能的连接器
软件抗干扰技术主要包括两方面内容7 其一是采取软 件的方法抑制叠加在输入信号上噪声的影响7 如数字滤波 器技术9 其二是由于干扰而使运行程序发生混乱7 导致程 序乱飞或者陷入死循环时7 采取使程序纳入正规的措施7 如软件冗余\ 软件陷阱\ G看门狗$ 技术等0 常用的软件 抗干扰措施有 数字滤波方法7 输入口信号重复检测方 法7 输出端口数据刷新方法7 软件拦截技术 (指令冗余\ 软件陷阱)7 G看门狗$ 技术等0
算机回路中引入瞬变脉冲干扰0 因此7 对于控制继电器等 感性负载的输出需要采用光电隔离等措施0 输出防错主要 可以采取重复输出方法7 另外7 也可以采用与硬件相结合 的方法防止错误输出0
2 整个控制模块层面抗干扰措施 模块层解决干扰的方法一般是对整个控制器系统采取 屏蔽措施0 与线缆屏蔽一样7 整个控制模块屏蔽成本也较 高0 但是7 这个方法不应被忽视7 有时候7 与在印板上增 加很多元件抗干扰相比7 模块屏蔽还要经济些0 而且7 对 很多问题而言7 屏蔽材料的种类不是很关键7 即使是普通 的导电材料也会起到很好的屏蔽作用0 不过7 模块级屏蔽 要注意密封所有缝隙7 并对连接电缆采取滤波措施0