材料成型控制工程基礎第五章

1、5.1.1 干擾途徑干擾途徑對于電磁干擾而言:可劃分為傳導和輻射兩種類型 對材料成型現(xiàn)場的干擾 :傳播類型的干擾是指通過金屬體電感電容和變壓器傳播的；而輻射則是以多種途徑向外傳播的 5.1.2干擾分類干擾分類1 來自電網(wǎng)的干擾2來自微機控制系統(tǒng)外的空間的干擾 3系統(tǒng)自身內部的干擾 4從信號傳輸線傳入的干擾 5其他類型的干擾 5.2.1 接地技術接地技術1接地的概念虛地是以電路系統(tǒng)中某一點電位為基準，接地是指讓電子、電器設備的基準電位點與大地保持同電位。 2計算機控制系統(tǒng)中地線的形式屏蔽地：又稱為安全地或機殼地，包括機架、外殼、屏蔽罩等。模擬地：作為A/D轉換器、前置放大器等模擬部分的零電位。數(shù)

2、字地：即邏輯地，作為邏輯開關網(wǎng)絡的零電位。功率地：作為大電流網(wǎng)絡部件的零電位。信號地：是傳感器本身的零信號電位基準公共線，傳感器可看作是測量裝置的信號源。系統(tǒng)地：是上述幾種地線的最終回流點，它將最終與大地相連。而以大地電位作為基準零電位。直流地：直流電源的接地線。交流地：一般指50Hz交流電源接地線。3系統(tǒng)抑制干擾的接地方式1）一點接地準則2）模擬地線與數(shù)字地線應分開設置3）強電地線與信號地線分開設置4）多點接地系統(tǒng)5）混合接地系統(tǒng) 6）浮地系統(tǒng)5.2.2 屏蔽技術屏蔽技術電磁屏蔽的技術原理主要分以下幾種 1）靜電屏蔽2）交變電場屏蔽3）交變磁場屏蔽4）交變電磁場屏蔽屏蔽的注意事項1）屏蔽的完

3、整性2）屏蔽材料的屏蔽效能和應用場合3）屏蔽體良好接地4）特殊部位的特殊屏蔽措施3屏蔽材料的選取 研究和應用較多的電磁屏蔽材料主要包括兩大類：表面導電材料和導電復合材料。前者是通過使塑料表面金屬化來反射電磁波；后者則是通過在塑料中填充導電材料，形成導電網(wǎng)絡，達到屏蔽效果。 4屏蔽抗干擾技術1）電場耦合的屏蔽和抑制技術2）屏蔽線的使用圖5.1示出了屏蔽線使用的3種情況。 圖5.1 屏蔽線的用法 3）屏蔽雙絞線工程應用一個實際的信號采集系統(tǒng)接地示意圖如圖5.8所示。 圖5.2 一個實際的信號采集系統(tǒng)接地示意圖5.2.3 硬件硬件“看門狗看門狗”技術技術1微處理器監(jiān)控器MAX690A/MAX692A

4、簡介MAX690A/MAX692A是美國MAXIM公司推出的產品，具有以下功能：（1）在微處理器上電、掉電及低壓供電時，產生一個復位輸出信號；（2）具有備用電池切換電路，備用電池可供給CMOS RAM芯片、 CMOS P或其他低功耗邏輯電路；（3）具有Watchdog電路，該電路的外觸發(fā)脈沖時間間隔超過1.6s時， 將產生一個復位輸出；（4）可用于低電壓檢測。圖5.3 MAX690A/MAX692A封裝圖2工作原理MAX690A/MAX692A內部原理框圖如圖5.4所示，包括復位電路、Watchdog電路、掉電比較和備用電池切換電路四部分。圖5.5為各信號時序圖。圖5.4 MAX690A/MA

5、X692A原理框圖圖5.5 MAX690A/MAX692A各信號時序圖1）復位電路微處理器在上電、掉電及低壓供電時，監(jiān)控器發(fā)生復位脈沖信號，這可保證微處理器實現(xiàn)上電自動復位；當供電電壓過低時，可防止CPU失控。2）Watchdog電路Watchdog電路是計數(shù)器式定時電路。 3）掉電比較器 掉電比較器可用于低電壓的檢測，若低電壓過低，將發(fā)出一個低電平信號（PFO掉電比較器是一個完全獨立的電路，也可以用來完成其他功能。 ）。4）備用電池切換電路切換電路原理如圖5.6所示。 圖中開關SW1SW4的狀態(tài)受VCC和VBATT的控制，如表5-1所示。由表5-1和圖5.6可知，當VCC高于復位門限電平或低

6、于復位門限電平但高于VBATT時，VOUT由VCC供電；當VCC低于復位門限電平，且又低于VBATT時，VOUT由VBATT供電。條件SW1/SW2SW3/SW4VCC復位電平門限VBATT斷開關閉VCC復位電平門限 VCCVBATT斷開關閉VCC復位電平門限 VCCVBATT關閉斷開表5-1 開關狀態(tài)表圖5.6 電池切換原理圖3MAX690A/MAX692A與單片機接口電路MAX690A/MAX692A自動監(jiān)控典型電路如圖5.7所示。 圖5.7 MAX690A/MAX692A應用電路5.2.4 電源的抗干擾技術 1電源的干擾類型（1）電源線中的高頻干擾（2）感性負載的產生和瞬變的噪聲 （3）

7、晶閘管通斷時所產生的干擾 （4）電網(wǎng)的短時下降干擾 （5）拉閘過程形成的高頻干擾 2電源抗干擾的基本方法 電源抗干擾的基本途徑有以下幾點：（1）采用交流穩(wěn)壓器。 （2）電源濾波器。 圖5.8 電感電容濾波器之一圖5.9 電感電容濾波器之二 圖5.10 交流電源濾波器圖5.11 雙繞組扼流圈的應用 （3）采用分立式供電。 （4）分類供電方式。 （5）電源變壓器的屏蔽與隔離。利用靜電屏蔽的一般原理和變壓器的特殊性，可在變壓器的初級繞組和次級繞組之間加屏蔽層。 圖5.12 變壓器及單層屏蔽為了提高干擾性能，可采用雙重屏蔽，如圖5.13所示。 圖5.13 雙重屏蔽 圖5.14 二級穩(wěn)壓及低通濾波器電路

8、 （6）直流穩(wěn)壓電源采用交流進線濾波器。對工業(yè)現(xiàn)場外界干擾較大的場所，可考慮使用高性能進線濾波器，如圖5.15所示。 圖5.15 電源進線濾波器1計算機D/A轉換卡隔離措施 首先將計算機的電源與焊機的電源分開，并且計算機的電源采用二次隔離屏蔽變壓器，輸入端用濾波器，它明顯的優(yōu)點是抗電網(wǎng)干擾能力強，很適合計算機控制系統(tǒng)。 一般干擾脈沖是相當窄的，因此在采用計算機轉換卡（PCL-728）時，工作電源采用單獨供電，并在工作電源和地線之間加一個高頻濾波電容0.10.001 F，其原理框圖見圖5.16。 圖5.16 PCL-728原理框圖5.2.5 計算機接口電路隔離技術 在PCL-728芯片工作電壓端

9、接入一個電阻R = 100200 做瞬間脈沖電流保護。在PIO和D/A之間增加光電隔離環(huán)節(jié)，并且光電隔離管的輸入、輸出回路的電源單獨供電，與外部相接的電路由相應的外部電源供電，完全切斷了主機與外部一切電的傳輸連接，使計算機“浮置”，見圖5.17。 圖5.17 計算機“浮置”示意圖 為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，可以通過光電耦合器將長導線完全“浮置”起來，見圖5.18。 圖5.18 傳輸長線的光耦浮置處理2數(shù)字信號的隔離圖5.19為數(shù)字輸入通道的光電隔離。圖5.19 數(shù)字輸入通道的光電隔離 3模擬信號的隔離在需要A/D，D/A的應用系統(tǒng)中，模擬信號的隔離器件有多種，常用的有差分放大器（隔離電壓低），

10、V/F轉換光電隔離電路（應用電路復雜）和隔離放大器（性能好但價格昂貴）等，如果系統(tǒng)的要求不是很高，則可采用如圖5.20所示的光電耦合式隔離放大電路，此電路所用元件少，只要保證兩個光電耦合器的特性盡量一致，就可以構成一個精度和線性度較高的隔離放大電路，其增益均等于R2/R1。圖5.20 模擬信號的隔離放大電路5.3.1 軟件冗余技術軟件冗余技術1指令冗余（1）NOP的使用。（2）重要指令冗余。2數(shù)據(jù)冗余5.3.2 軟件陷阱技術 1軟件陷阱軟件陷阱一般由3條指令組成：NOPNOPLJMP ERB2軟件陷阱的設置1）未使用的中斷區(qū)2）未使用的EPROM空間3）非EPROM芯片空間圖5.21中74LS

11、08為四正門。圖5.21 非EPROM區(qū)程序陷阱之一在圖5.22中，當PC“跑飛”落入2000HFFFFH空間時，74LS244選通，讀入數(shù)據(jù)為020202H，這是一條轉移指令，使PC轉入0202H入口，在主程序0202H設有出錯處理程序。圖5.22 非EPROM區(qū)程序陷阱之二4）運行程序區(qū)5）RAM數(shù)據(jù)保護的條件陷阱6）表格區(qū)5.3.3 軟件軟件“看門狗看門狗”技術技術軟件“看門狗”通常由三部分組成：軟件陷阱、軟件復位和循環(huán)監(jiān)控。5.3.5 數(shù)字濾波數(shù)字濾波 下面介紹幾種常用的軟件濾波方法1平滑濾波2中值濾波3限幅濾波4限速濾波5一階遞推數(shù)字濾波法6防脈沖干擾平均值濾波（復合濾波）5.4.1

12、 設計抗干擾電路設計抗干擾電路1復位電路和時鐘電路抗干擾設計通常的復位電路采用的是RC復位電路，見圖5.23（a）。使用MAX692A的復位電路如圖5.23（b）所示。圖5.23 單片機復位電路圖5.24表明時鐘信號中疊加噪聲干擾后，會改變時鐘分頻信號，導致CPU工作時序發(fā)生紊亂。圖5.24采用的是12MHz的晶體振蕩器，單片機產生的最有影響的高頻噪聲大約是其時鐘頻率的3倍。圖5.24 電磁波對時鐘信號的干擾2交流電源電路抗干擾設計由于高頻對供電線路的電磁干擾以及焊接電源通過電源供電線對電網(wǎng)的干擾，使電源網(wǎng)路中混入高頻干擾信號?？赏ㄟ^低通濾波器予以濾除，低通濾波器的形式見圖5.25。圖5.25

13、 低通濾波器的電路形式濾波供電網(wǎng)絡中的高頻干擾信號，為了濾除濾波器輸出端到弧長調節(jié)器電源變壓器輸入端之間供電線受高頻干擾產生的干擾信號，在弧長調節(jié)器電源變壓器初級進線處加接高頻性能好、分布電感小的瓷介電容，見圖5.26。為了消除電源變壓器的分布電容的漏磁通過對弧長調節(jié)器第一級地運算放大器輸入端的電磁干擾，對變壓器的原、副邊分別加屏蔽層，見圖5.27。圖5.27 電源變壓器的屏蔽原理圖圖5.26 弧長調節(jié)器電源變壓器進線高頻電容示意圖使用屏蔽時的接線方法見圖5.28。圖5.28 使用屏蔽時的接線方法在采用了上述方法的基礎上，用11.5mm的鐵皮將整個變壓器包裹起來，形成一個屏蔽罩，僅僅把引線留在

14、外面，整流電路加接電容，對減小整個電源的絞波干擾作用很大，如圖5.29所示，電容可選0.01F左右。圖5.29 整流電路加接電容3電路直流電源抗干擾設計4組電源分別經過驅動變壓器變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后供給各個驅動模塊使用，見圖5.30。圖5.30 電路供電電源抗干擾設計框圖4機械開關觸點抗干擾設計考慮到傳輸距離較長，采用光耦4N25，利用20mA電流環(huán)的原理進行信號傳遞，同時在光耦的輸出和單片機的輸入口之間接有施密特觸發(fā)器，并接有濾波電容，如圖5.31所示。圖5.31 焊槍開關按鍵輸入5交流弧壓采樣線路抗高頻干擾設計弧長調節(jié)器的弧壓信號通常采取的辦法是將交流電壓整流，經濾波后輸出比較平滑的直

15、流波形，然后再送入比較器與給定電壓比較，得出差值信號經放大，驅動電機上下轉動，調節(jié)弧長，見圖5.32。圖5.32 交流弧長調節(jié)器弧壓采樣及電路原理框圖我們采用SYNCROWAVE350電源內部高頻濾波隔離電路，從電源內部選取電弧電壓信號，既可避免另搭電路而產生的干擾，又可充分利用已有的焊接電源，抗高頻干擾電路優(yōu)勢，使系統(tǒng)的布線更加緊湊、方便，減小高頻對系統(tǒng)各部分的干擾，其電路原理見圖5.33。由CR1輸出的電壓波形為焊接時交流全波整流電壓波形，CR1的2、5腳輸出的電弧電壓信號采用雙絞屏蔽線。也可以用霍爾元件對焊接電壓進行隔離采樣，見圖5.34，實際應用效果良好。圖5.33 弧壓采樣電路的高頻

16、旁路圖圖5.34 弧壓采樣電路原理圖5.4.2 抑制干擾源 1焊接電源接地抑制高頻干擾2屏蔽噪聲源3防止高頻的空間電磁干擾5.4.3 削弱耦合通道 5.4.4 采用屏蔽雙絞線 一般要求，若用一條線接地的雙絞線作為脈沖電流傳輸線時，終端必須連接一個大于對稱線路特性阻抗R0的電阻R1，見圖5.35。圖5.35 對稱雙絞線抗高頻干擾當有兩對或兩對以上雙絞線時，噪聲電壓變大，主要原因是：多對雙絞線之間有互感、電容耦合、共阻抗等，見圖5.36。圖5.36 在不連續(xù)點產生感應噪聲的原因雙絞線有很強的抑制電磁感應干擾的能力，系統(tǒng)采用雙絞線與光耦配合完成主控制板與送絲電路板之間的傳輸，如圖5.37所示。圖5.37 光電耦合器與雙絞線聯(lián)合使用5.4.5 合理布線合理布線 在整個自動TIG焊系統(tǒng)中，有各種各樣的電源線、信號線、控制線和接地線，大概可以分為：干擾電路、一般線路和敏感電路等三個等級。在系統(tǒng)中，對于這三種有明顯區(qū)別的不同等級的線路，最有效的處理措施是：使它們之間盡量遠離；使它們之間垂直交叉、盡量避免敷設；盡可能采取屏蔽；使交流和直流線路嚴格分開；強電和弱電嚴格分開；不同電壓和不同電流等級嚴