基于機(jī)電一體化自動控制系統(tǒng)的電磁干擾屏蔽設(shè)計(jì)

在機(jī)電一體化的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，不可避免地使用到許多的感性器件。這些器件不僅會產(chǎn)生電磁干擾，而且會造成觸點(diǎn)間的電火花或電弧干擾（也稱為瞬變噪聲干擾）。這種干擾不僅會影響控制系統(tǒng)的正常工作，而且會對電源造成污染使電網(wǎng)受到?jīng)_擊。

近期在水質(zhì)綜合毒性在線自動分析控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中，使用了電磁閥和繼電器等感性元器件。初步設(shè)計(jì)中對感***現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，從而得出自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中抑制感性器件和設(shè)備干擾的基本措施。

1 干擾成因分析

系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行單元是數(shù)據(jù)采集部分，執(zhí)行器件主要是步進(jìn)電機(jī)和電磁閥。這兩種器件皆為感性負(fù)載，是引入干擾的主要器件。設(shè)計(jì)中系統(tǒng)要求步進(jìn)電機(jī)扭矩比較小，成熟的驅(qū)動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(tǒng)最大的干擾來源。

為實(shí)現(xiàn)測試液劑的精確添加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了精密的電磁閥作為流量電磁開關(guān)。鑒于以往設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到電壓不足導(dǎo)致電磁閥不能完全打開的情況，系統(tǒng)選用交流220V供電電磁閥以滿足對其完全開閉控制的要求。電磁閥的開閉控制則采用了性價(jià)比合理的繼電器作為關(guān)鍵控制器件?？刂齐姶砰y的驅(qū)動電路框圖如圖1。

由圖1可以看出，系統(tǒng)引入了兩種感性器件：繼電器和電磁閥。系統(tǒng)測試運(yùn)行未接入電磁閥時(shí)，運(yùn)行正常。當(dāng)接入電磁閥時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)程序跑飛，死機(jī)等現(xiàn)象。這就證實(shí)了：電磁閥是本系統(tǒng)最主要的干擾源。本文將針對電磁閥開閉時(shí)產(chǎn)生干擾的情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。

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

開關(guān)K閉合電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓為E，流過電感的電流為I＝E／R。當(dāng)開關(guān)斷開后電磁閥側(cè)電路構(gòu)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(guī)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(dāng)

電路處于欠阻尼振蕩狀態(tài)時(shí)，會出現(xiàn)最大值。經(jīng)計(jì)算得：

其中，。A的值與0時(shí)刻初始值有關(guān)。

開關(guān)斷開后，Uc（0）為0時(shí)，將達(dá)到最大值。此種情況下，電感中儲能最大。負(fù)載側(cè)電壓最高，往往可以達(dá)到數(shù)千伏，故干擾最嚴(yán)重，以此為初始條件可以求得負(fù)載側(cè)電壓為：

以上分析可知，使用開關(guān)來控制電磁閥的開閉時(shí)會產(chǎn)生頻率高、幅值大的感應(yīng)電壓（它被稱為“浪涌電壓”）。這個(gè)電壓往往會超過開關(guān)觸點(diǎn)間隙最小擊穿電壓（一般為320V），出現(xiàn)電弧擊穿現(xiàn)象。這時(shí)開關(guān)斷開并不是一次性完成的，而是一個(gè)反復(fù)的開、閉串過程，這就會造成接點(diǎn)間電火花或電弧干擾（也稱瞬變噪聲干擾）。這個(gè)過程會導(dǎo)致產(chǎn)生含有豐富高頻諧波的干擾信號。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了使用方便選用了比較常用的交流220V電磁閥作為執(zhí)行器件。電磁閥的開閉控制器件選用了性價(jià)比比較高的5V直流繼電器。繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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的交流供電線上，控制電磁閥開閉的是繼電器。繼電器控制端的電感線圈作為電磁鐵而存在，系統(tǒng)通過控制線圈的通斷電來控制銜鐵動作，從而實(shí)現(xiàn)對被控制端觸點(diǎn)開閉的控制。雖然繼電器的控制端和被控制端實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，但是繼電器的開閉是通過機(jī)械動作實(shí)現(xiàn)的。這就難以避免的出現(xiàn)電弧擊穿現(xiàn)象，擊穿過程中的電弧、電火花會導(dǎo)致強(qiáng)烈的電磁干擾，它會通過電感耦合的方式進(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(tǒng)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進(jìn)行隔離。一般來說采用光電隔離技術(shù)可以避免一般感性器件應(yīng)用所導(dǎo)致的干擾問題。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(tǒng)采用的是光耦4N25。電路中二極管D1作為續(xù)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(qiáng)度。盡管如此，如果控制系統(tǒng)的電源和地線不做特殊的設(shè)計(jì)，繼電器的干擾作用依然存在，干擾信號會通過地線串入控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)電源不穩(wěn)定。

2 干擾抑制措施

為了徹底解決感性器件導(dǎo)致的干擾問題，使控制系統(tǒng)正常工作。設(shè)計(jì)方案經(jīng)過了多次改進(jìn)。本處主要針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)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閉過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與等效電路中的電阻和電容值有關(guān)，所以可以通過引入RC網(wǎng)絡(luò)的方式來對干擾進(jìn)行抑制。RC吸收回路是抑制感性負(fù)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(shù)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(shù)做合理的選擇。在直流回路中，電容的參數(shù)值為0．01～2μF，線圈電感越大，則C也越大；R的參數(shù)值為幾十到幾百歐姆。交流回路中，C的參數(shù)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(dāng)觸點(diǎn)容量比較大時(shí)可以選擇470Ω和0．47μF。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證感性負(fù)載的RC網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)如表1所示：

還應(yīng)注意的是RC吸收回路需要被直接并聯(lián)在電感線圈的兩端，而不能直接接在電子控制裝置上，主要原因是連接線過長時(shí)，導(dǎo)線的分布參數(shù)會影響RC吸收回路的作用。本系統(tǒng)使用的電磁閥其線圈電感不是很大，故RC吸收電路的電阻和電容參數(shù)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上即可。

（2）電源及地線的設(shè)計(jì)

為防止感性負(fù)載引入的干擾串入電源，設(shè)計(jì)中繼電器供電電源和控制器電源應(yīng)嚴(yán)格分開，繼電器采用獨(dú)立供電方式。另外，由于干擾也會通過地線自耦合串入控制系統(tǒng)，因此線路板布局和布線時(shí)，繼電器的地線要和其它器件的地線嚴(yán)格分隔開來。圖5是控制器線路板上電源和地線的連接示意框圖。由圖可以看出控制器和其它接口電路共用電源B和數(shù)字地GNDB。繼電器部分則使用獨(dú)立的電源A，地線也是獨(dú)立的地GNDB。數(shù)字地和模擬地通過0電阻實(shí)現(xiàn)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地線串入控制系統(tǒng)。

（3）電磁干擾的屏蔽設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)存在多個(gè)控制器，主控制器和輔助控制器之間通過串行通信實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作。為了實(shí)現(xiàn)控制器間的正常通信和系統(tǒng)的正常工作，也為了使系統(tǒng)本身產(chǎn)生的電磁干擾不污染外界環(huán)境，設(shè)計(jì)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。對于電場的屏蔽，屏蔽體必須接地；對于磁場的屏蔽，屏蔽體則不必接地。

系統(tǒng)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纜的彎曲程度等因素有關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用屏蔽層編織密度比較高的單芯細(xì)纜。這種屏蔽電纜的優(yōu)點(diǎn)是，電纜彎曲時(shí)不會對屏蔽效果有太大影響，而且線纜比較的細(xì)適合狹小空間接線、走線。非常適合本系統(tǒng)布線困難的特點(diǎn)。

線路板被裝配在性價(jià)比比較高的金屬圍框中，由此實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽。圍框的金屬層比較的厚，足以實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)磁場的屏蔽。圍框兩個(gè)側(cè)面打細(xì)孔作為走線孔，整個(gè)圍框通過導(dǎo)線與大地連接，從而實(shí)現(xiàn)良好的接地。

3 結(jié)束語

自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用到感性負(fù)載器件和設(shè)備，對于這些器件的抗干擾設(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn)。文中針對近期設(shè)計(jì)水質(zhì)綜合毒性在線自動分析控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的干擾問題（主要由感性器件電磁閥和繼電器引起，現(xiàn)象為：經(jīng)常性的程序跑飛、死機(jī)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(diào)整后的系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)本身運(yùn)轉(zhuǎn)正常，穩(wěn)定性良好；系統(tǒng)對周圍環(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(nèi)。
責(zé)任編輯；zl