第四章可靠性抗干擾技術(shù)

機(jī)電一體化技術(shù)主講：羅文超一、概述

第一節(jié)可靠性技術(shù)

機(jī)電一體化系統(tǒng)及產(chǎn)品要能正常地發(fā)揮其功能，首先必須穩(wěn)定、可靠地工作。可靠性是系統(tǒng)和產(chǎn)品的主要屬性之一，是考慮到時(shí)間因素的產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)于提高系統(tǒng)的有效性、降低壽命期費(fèi)用和防止產(chǎn)品發(fā)生故障具有重要意義?？煽啃愿?，意味著故障少、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低；可靠性低，意味著故障多、壽命短、維修費(fèi)用高。第四章可靠性技術(shù)與抗干擾技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3187－82（可靠性甚本名詞術(shù)語(yǔ)及定義）規(guī)定。二、可靠性的定義可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

1．產(chǎn)品2．規(guī)定的條件即可靠性研究的對(duì)象，它可以是一個(gè)零件、一部設(shè)備或一個(gè)由若干零部件或設(shè)備組成的系統(tǒng)。

這些條件包括運(yùn)輸條件、儲(chǔ)存條件和使用條件。3．規(guī)定的時(shí)間

可靠性是有時(shí)間要求的，產(chǎn)品只能在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)可靠度。規(guī)定時(shí)間長(zhǎng)短不同，產(chǎn)品的可靠性也不同。4．規(guī)定的功能

產(chǎn)品的可靠性不能脫離“規(guī)定的功能”。“完成規(guī)定的功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定的功能，就稱為失效。對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品，也稱為故障。三、可靠性指標(biāo)1．可靠度R（t）

可靠性指標(biāo)是可靠性量化分析的尺度。衡量可靠性高低的數(shù)量指標(biāo)有兩類，一類是概率指標(biāo)；另一類是壽命指標(biāo)。它們一般都是時(shí)間的函數(shù)?？煽慷仁钱a(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。0≤R(t)≤1。2．失效率λ

(t)

產(chǎn)品工作到t時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。λt早期失效交付使用點(diǎn)更新點(diǎn)偶然失效耗損失效3.平均壽命

產(chǎn)品從使用開(kāi)始，直到發(fā)生故障，所經(jīng)歷的時(shí)間就是產(chǎn)品的壽命。平均壽命是指一批產(chǎn)品的壽命平均值。1．提高系統(tǒng)各組成元、器件的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量及系統(tǒng)的裝配質(zhì)量。如采用可靠度高的元器件，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮到在使用階段如何保證產(chǎn)品的可靠性，應(yīng)規(guī)定適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件、維護(hù)保養(yǎng)條件及操作規(guī)程，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的維修性等。四、可靠性技術(shù)與可靠性設(shè)計(jì)

1）所有元器件必須100％經(jīng)過(guò)測(cè)試、檢驗(yàn)、篩選等處理，合格后才允許裝機(jī)使用。

2）電子元器件的正確使用對(duì)可靠性有重要影響。因此，規(guī)定降額使用電子元器件。功率電子元件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，以防止其溫升過(guò)高而失效；電子線路，特別是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，應(yīng)采用電磁兼容設(shè)計(jì)，加強(qiáng)抗干擾措施。3）機(jī)械零件盡可能采用強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囂幚恚蕴岣呖蛊凇⒛湍p、抗腐蝕等性能；還應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格加工和精密裝配，有的零件配合要進(jìn)行磨合試驗(yàn)或精細(xì)調(diào)整。5）有為防止人為差錯(cuò)和提高維修效率而設(shè)的明顯標(biāo)記，如不同插頭插座的位置標(biāo)記等。6）對(duì)產(chǎn)品使用環(huán)境條件、操作規(guī)程、預(yù)防性維修等制定一系列規(guī)定。如機(jī)械傳動(dòng)件、軸承等的注油、清洗、調(diào)整；伺服電動(dòng)機(jī)用炭刷的定期更換、炭粉的清除；緊急停車(chē)按鈕功能的定期模擬檢查等等。

4）對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服電路板、伺服電動(dòng)機(jī)、諧波齒輪減速器、滾珠絲杠等關(guān)鍵部件，應(yīng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。2．容錯(cuò)法設(shè)計(jì)

按容錯(cuò)法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，能在一定條件下允許系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不影響系統(tǒng)功能的發(fā)揮，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。容錯(cuò)技術(shù)的關(guān)鍵是冗余技術(shù)。即采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運(yùn)行或處于準(zhǔn)備狀態(tài)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能自動(dòng)切換，保持系統(tǒng)不間斷地正常工作。（1）軟件冗余：采取程序復(fù)執(zhí)的方式，能有效地預(yù)防和處理瞬時(shí)故障。所謂復(fù)執(zhí)，是指在系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障時(shí)，重復(fù)執(zhí)行故障的那一部分程序，這樣系統(tǒng)不必停機(jī)，往往可以自動(dòng)回復(fù)到原來(lái)正確的動(dòng)作，這實(shí)際上是一種時(shí)間冗余方式。（2）硬件冗余：在沒(méi)有冗余的串聯(lián)系統(tǒng)中，某一零部件發(fā)生故障，就會(huì)引起系統(tǒng)發(fā)生故障而不能正常工作。因此，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性最低。重要的系統(tǒng)必須有冗余，即在系統(tǒng)中增加一些冗余部件（或子系統(tǒng)），以便當(dāng)系統(tǒng)的某一零部件發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能正常工作。

（a）并聯(lián)冗余:只有當(dāng)組成系統(tǒng)的所有單元都失效后，整個(gè)系統(tǒng)才會(huì)失效，這種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只要有一個(gè)單元不失效，整個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)失效，所以是一種工作冗余。（b）表決冗余:如果組成系統(tǒng)的n個(gè)單元中，只要有k個(gè)單元不失效，系統(tǒng)就不會(huì)失效，這種系統(tǒng)稱k/n表決系統(tǒng)。熱儲(chǔ)備系統(tǒng)（3）旁聯(lián)（待機(jī)）冗余：這種系統(tǒng)由n個(gè)單元組成，其中只有一個(gè)單元在工作，其余n－1個(gè)處于等待狀態(tài)，當(dāng)工作元件失效時(shí)，通過(guò)失效檢測(cè)裝置及轉(zhuǎn)換裝置，使另一單元開(kāi)始工作，單元逐個(gè)頂替工作，直到全部單元失效為止，因此是一種后備冗余。要確保一個(gè)系統(tǒng)完全不出故障是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的。那么，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如何檢測(cè)故障、判斷故障原因并準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，這就需要故障診斷術(shù)。目前，許多機(jī)電一體化系統(tǒng)都具有自診斷功能。有些機(jī)電一體化系統(tǒng)還具有自適應(yīng)、自調(diào)整、自診斷、甚至自修復(fù)的功能，遇到過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、短路、漏電等情況時(shí)，能自動(dòng)采取對(duì)策和保護(hù)措施，避免事故的發(fā)生，這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。冷儲(chǔ)備系統(tǒng)3．采用故障診斷術(shù)，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性一、干擾的基本概念

干擾一般是指系統(tǒng)在工作過(guò)程中出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無(wú)關(guān)的，并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。二、干擾的分類（—）按干擾性質(zhì)分1．自然干擾主要由雷電、太陽(yáng)異常電磁輻射及來(lái)自宇宙的電磁輻射等自然現(xiàn)象形成的干擾。第二節(jié)抗干擾技術(shù)

2.人為干擾分有意干擾和無(wú)意干擾。有意干擾指由人有意制造的電磁干擾信號(hào)。人為無(wú)意干擾很多，如工業(yè)用電、高頒及微波設(shè)備等引起的干擾。3.固有干擾主要是電子元器件固有噪聲引起的干擾。包括信號(hào)線之間的相互串?dāng)_，長(zhǎng)線傳輸時(shí)由于阻抗不匹配而引起的反射噪聲、負(fù)載突變而引起的瞬變?cè)肼曇约梆侂娤到y(tǒng)的浪涌噪聲干擾等。三、產(chǎn)生干擾的條件與傳播途徑1、條件：同時(shí)具備干擾源、干擾傳播途徑和干擾接收器三個(gè)條件。發(fā)出電磁干擾的設(shè)備、系統(tǒng)。干擾源：受影響的設(shè)備、系統(tǒng)。干擾接收器（干擾對(duì)象）：2、傳播途徑：（1）傳導(dǎo)方式：干擾信號(hào)通過(guò)各種線路傳入。（2）輻射方式：干擾信號(hào)通過(guò)空間感應(yīng)傳入。四、干擾的發(fā)生機(jī)理1、放電噪聲由于放電而產(chǎn)生的伴隨著急劇的電流、電壓瞬時(shí)變化。ERUIIU0AB暗流輝光放電CD刷狀電暈火花放電弧光放電暗流輝光放電只有很小的電流、無(wú)光。淡藍(lán)色光點(diǎn)。刷狀電暈羽毛狀白光火花放電棒板基本被火花連接但不連續(xù)?；」夥烹姎庀锻耆婋x，連續(xù)導(dǎo)通。U02、接觸噪聲由于觸點(diǎn)間接觸電阻的變化而產(chǎn)生。3、過(guò)渡現(xiàn)象電氣電子電路中電流電壓的瞬態(tài)變化。4、反射現(xiàn)象空間電磁波傳播時(shí)遇到障礙物被反射并與原信號(hào)疊加以及傳輸線與負(fù)載和電源內(nèi)阻抗不匹配引起的反射等。5、非功能性噪聲電子電路中存在的一些與完成特定功能無(wú)關(guān)的信號(hào)。6、無(wú)用信號(hào)完成特定功能時(shí)使用的信號(hào)。五、干擾的抑制和防護(hù)

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮所設(shè)計(jì)的設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定的工作場(chǎng)所運(yùn)行時(shí)，既不受周?chē)碾姶鸥蓴_的影響，又不對(duì)周?chē)脑O(shè)備施加干擾，即采用電磁兼容性設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化系統(tǒng)抗干擾能力的提高必須從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，并貫穿在制造、調(diào)試和使用維護(hù)的全過(guò)程。電磁兼容性（EMC—Electromagneticcompatibility)：設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。即該設(shè)備不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中其它設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)；它也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其它設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）因其電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不允許的降級(jí)。1、屏蔽利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對(duì)象包圍起來(lái)從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。（2）磁場(chǎng)屏蔽（1）電場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于電場(chǎng)耦合引起的干擾。通常用銅和鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬材料作屏蔽體。屏蔽體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量完整嚴(yán)密并保持良好的接地。是為了消除或抑制由于磁場(chǎng)耦合引起的干擾。（3）電磁場(chǎng)屏蔽電磁場(chǎng)同時(shí)存在，應(yīng)將電磁場(chǎng)同時(shí)屏蔽。例：在電子儀器內(nèi)部，最大的工頻磁場(chǎng)來(lái)自電源變壓器，對(duì)變壓器進(jìn)行屏蔽是抑制其干擾的有效措施。a)在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。當(dāng)漏磁通穿過(guò)短路環(huán)時(shí)，在銅環(huán)中感生渦流，會(huì)產(chǎn)生反磁通以抵消部分漏磁通，使變壓器外的磁通減弱。b)對(duì)變壓器或扼流圈的側(cè)面也需屏蔽，一般采用包一層鐵皮來(lái)作屏蔽盒。包的層數(shù)越多，短路環(huán)越厚，屏蔽效呆越好。2、隔離把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，使之盡可能不發(fā)生電聯(lián)系，從而切斷干擾的耦合通道，達(dá)到抑制干擾的目的。（1）光電隔離共模抑制比大、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、易與邏輯電路配合、響應(yīng)速度快、小型耐沖擊且穩(wěn)定可靠。在機(jī)電一體化系統(tǒng)特別是數(shù)字系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。以光作媒介在隔離的兩端間進(jìn)行信號(hào)傳輸，所用的器件是光耦合器。（2）變壓器隔離

一次側(cè)和二次側(cè)線圈處設(shè)有靜電隔離層S1，和S2，防止通過(guò)一次側(cè)和二次側(cè)繞組的耦合相互干擾。常用隔離變壓器作為隔離部件，用來(lái)阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)通路，并抑制干擾信號(hào)的強(qiáng)度。多層隔離變壓器

有三層屏蔽體，其內(nèi)外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用，中間用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。防止外界電磁場(chǎng)通過(guò)變壓器對(duì)電路形成干擾。（3）繼電器隔離繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械聯(lián)系而沒(méi)有直接電聯(lián)系，可利用繼電器線圈接受信號(hào)，而利用其觸點(diǎn)發(fā)送和傳輸信號(hào)。可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離。繼電器觸點(diǎn)較多，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，應(yīng)用廣泛。繼電器3、濾波干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，因此，當(dāng)接受器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。這時(shí)，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過(guò)，而將干擾頻率成分加以抑制、剔除。反射濾波器

利用電感、電容等電抗元件或它們的網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器。它能把不需要的頻率成分的能量反射掉，只讓所需要的頻率成分通過(guò)。根據(jù)其頻率特性又可分為低通、高通、帶通、帶阻等濾波器。4、接地

將電路、設(shè)備機(jī)殼等與作為零電位的一個(gè)公共參考點(diǎn)（或面）實(shí)現(xiàn)低阻抗的連接，稱之為接地。（1）目的：a、是為了安全——安全接地。b、給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，或?yàn)榱艘种聘蓴_——工作接地。（2）方式a、一點(diǎn)接地：信號(hào)地線的接地方式應(yīng)采用一點(diǎn)接地，而不采用多點(diǎn)接地。串聯(lián)接地（或稱共同接地）地電阻r1、r2、r3串聯(lián)，各電路間相互發(fā)生干擾，接地不合理。但比較簡(jiǎn)單，當(dāng)各電路的電平相差不大時(shí)還可勉強(qiáng)使用。并聯(lián)接地（分別接地）在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起備電路間的耦合。但需要連很多根地線，用起來(lái)比較麻煩。特點(diǎn)：

單點(diǎn)接地所需地線較多，在低頻時(shí)適用。

b、多點(diǎn)接地：若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會(huì)增加干擾。因此常采用把各接地點(diǎn)就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上的接地方式。C、復(fù)合接地機(jī)電一體化系統(tǒng)的實(shí)際情況比較復(fù)雜，很難通過(guò)一種簡(jiǎn)單的接地方式來(lái)解決，因此常采用單點(diǎn)和多點(diǎn)組合成復(fù)合接地方式。一般來(lái)說(shuō)，電路頻率在1MHz以下時(shí)采用單點(diǎn)接地方式，當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式；當(dāng)頻率在1MHz～10MHz之間時(shí)，可采用復(fù)合接地。d、浮地：浮地是指設(shè)備的整個(gè)地線系統(tǒng)和大地之間無(wú)導(dǎo)體連接，它是以懸浮的“地”作為參考電平。

設(shè)備不受大地電流的影響，設(shè)備的參考電平隨高電壓的感應(yīng)而相應(yīng)提高，可使機(jī)內(nèi)器件不會(huì)因高壓感應(yīng)而擊穿。機(jī)電一體化系統(tǒng)的接地，還應(yīng)注意把交流接地點(diǎn)與直流接地點(diǎn)分開(kāi)，避免由于地電阻把交流電力線引進(jìn)的干擾傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部；把模擬地與數(shù)字地分開(kāi)，接在備自的地線匯流排上，避免大功率地線對(duì)模擬電路增加感應(yīng)干擾。5、合理布局基本原則是使干擾源與干擾對(duì)象盡可能遠(yuǎn)離，輸入和輸出端口妥善分離，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)等。6、軟件抗干擾技術(shù)（1）軟件濾波：用軟件來(lái)識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)