《機電一體化技術基礎》 課件 第6章 可靠性和抗干擾技術

第6章可靠性和抗干擾技術6.1認識可靠性6.2認識抗干擾技術知識目標：能力目標：(1)?了解干擾源的種類，掌握對應防護措施；(2)?掌握電磁干擾的傳播途徑及對應的防護措施；(3)?了解提高系統(tǒng)可靠性的途徑和方法；(4)?了解各種抗電磁干擾技術及其抑制方法。會對抗干擾技術以及基本應用電路進行初步的選擇。知識導入：1.中興通訊公司遠端通信站機房遭雷擊出問題整改案例

調查人員通過調查，發(fā)現機站的接地防雷網絡有如下問題：(1)?地線與地樁的連接方式不符合要求。(2)?地線的粗細不規(guī)范，泄放大電流的地線反而較細。禁止多股地線絞在一起與地樁壓接。40kA避雷器的泄放地線只有4mm(如圖6-2所示的細線截面積)(3)?接地網絡不符合均壓等電位原則

配線架、ONU(光節(jié)點)、SDH(同步數字光端機)三臺設備各自分別接地。由于三根地線長短粗細和泄放電流大小不一，當用戶線上的雷擊電流進入配線架時，配線架保安單元泄放電流，地線AD上會產生數千伏的浪涌電壓，而B點、C點和D點的電位仍然為零伏。AD線上的數千伏電壓，導致用戶板損壞，這就是地電位反彈。整改方案：

將地線與接地樁的連接改為匯流排連接；

將40kA避雷器的地線改為25mm以上地線；

將ONU和SDH的地線用25mm以上的短線先連到配線架，再通過45mm以上的地線連接到接地樁。經長時間的運轉后情況正常。

這是一起典型的因接地技術干擾引起的機電系統(tǒng)可靠性故障。2.火箭和衛(wèi)星測試廠房中央空調系統(tǒng)故障分析中央空調系統(tǒng)故障分析結果見表6-1和表6-2。分析數據：（1）空調電控故障率高于機械故障率。（2）機械故障中，故障率最高的空調設備是風機。運動設備的故障率大大高于非運動設備。磨損疲勞占總故障的59.4%。（3）空調電控故障中，故障率最高的是空氣開關、繼電器，以及控制柜保險。

空調設備故障基本上都是漸變型的，通過檢查、保養(yǎng)和部件更新，大多數故障是預防的。中央空調系統(tǒng)故障分析結果見表6-1和表6-2。得出結論：

設備質量問題占37%；維護問題占27%；更新問題占22%；安裝和驗收問題占9%；操作問題占4%；設計問題占1%。

設備質量、維護和更新問題是造成空調系統(tǒng)故障的主要原因。

上述案例告訴我們，產品設備首先必須穩(wěn)定、可靠地工作?？煽啃?Reliability)是系統(tǒng)和產品的主要屬性之一。6.1認識可靠性1.?什么是可靠性1）定義

可靠性：指產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定的功能的能力。（1）規(guī)定條件“規(guī)定條件”：使用時的環(huán)境條件和工作條件。

要談論產品的可靠性必須指明規(guī)定的條件是什么。（2）規(guī)定時間

“規(guī)定時間”：指對產品規(guī)定的任務時間。

談論產品的可靠性離不開規(guī)定的任務時間。2）可靠性定義三要素（三個“規(guī)定”）（3）規(guī)定功能

“規(guī)定功能”：指產品規(guī)定了的必須具備的功能及其技術指標。3）工作可靠性

工作可靠性：產品實際使用的可靠性。

工作可靠性又可分為固有可靠性和使用可靠性。（1）固有可靠性：是產品設計制造者必須確立的可靠性，即按照可靠性規(guī)劃，從原材料和零部件的選用，經過設計、制造、試驗，直到產品出產的各個階段所確立的可靠性。（2）使用可靠性：是指已生產的產品，經過包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維修等因素影響后的可靠性。（1）可靠度

機電設備的可靠性可用可靠度R來表示，見下式：R=R1·R2·R3

上式中，R為整個機電一體化設備的可靠度；R1為機械部件的可靠度；R2為電氣部件的可靠度；R3為機電接口的可靠度。2.?增強可靠性的主要措施（2）機電一體化設備提高可靠性的措施①對元器件加強篩選；②使用容錯法設計(使用冗余技術)；③重要系統(tǒng)或器件備份；④使用故障診斷技術；⑤提高運行精度、加工精度、控制精度；⑥采用精密機械改造傳統(tǒng)機械；⑦PLC(可編程控制器)代替繼電器控制；⑧NC(數字控制)、PC(計算機控制)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制方法。3.?可靠性三大要素1)?耐久性

耐久性：產品使用無故障性或使用壽命長。2)?可維修性

可維修性：當產品發(fā)生故障后，能夠很快很容易地通過維護或維修排除故障。3)?設計可靠性

設計可靠性：設計的時候充分考慮產品的易使用性和易操作性。

可靠性評價可以使用概率指標或時間指標。

這些指標有可靠度、失效率、平均無故障工作時間、平均失效前時間、有效度等。

典型的失效率變化曲線形似浴盆，常稱浴盆曲線(BathtubCurve)，如圖6-5所示。其分為三個階段：早期故障區(qū)、偶然故障區(qū)、耗損故障區(qū)。4.?可靠性評價

首先是電子產品的復雜程度在不斷增加，導致可靠性問題的日顯重要。

其次，電子設備的使用環(huán)境日益嚴酷，導致產品失效的可能性增大。

最后，電子設備的裝置密度不斷增加，而電子元器件將隨環(huán)境溫度的增高，其可靠性降低。5.?可靠性對機電一體化系統(tǒng)電子裝置的重要性（1）干擾定義

干擾：是指對系統(tǒng)的正常工作產生不良影響的內部或外部因素。

干擾(Interference)問題是機電一體化系統(tǒng)設計和使用過程中必須考慮的重要問題。6.2認識抗干擾技術（2）機電一體化系統(tǒng)的干擾因素

電磁干擾，溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等。其中電磁干擾最為普遍，影響最大。（3）電磁干擾定義

電磁干擾：是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現的一些與有用信號無關的、并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現象。

電磁干擾使信號數據發(fā)生瞬態(tài)變化，出現假象，會直接引起系統(tǒng)故障。1.?形成干擾的三個要素1)?干擾源

干擾源：產生干擾信號的設備。

雷電、太陽和宇宙射線都屬于干擾源。2)?傳播途徑

傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。3)?接收載體

接收載體：是指受影響的設備的某個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)吸收了干擾信號，并轉化為對系統(tǒng)造成影響的電器參數。耦合：接收載體對干擾信號的接收過程。傳導耦合：是指電磁干擾能量以電壓或電流的形式通過金屬導線或集總元件(如電容器、變壓器等)耦合至接收載體。輻射耦合：指電磁干擾能量通過空間以電磁場形式耦合至接收載體。耦合

消除三個要素中的任何一個，都可以避免干擾?？垢蓴_技術就是針對這三個要素的研究和處理。（1）靜電干擾

靜電干擾：靜電電場會引起電路的電位發(fā)生變化，通過電容耦合產生的干擾。

（2）磁場耦合干擾

磁場耦合干擾：指大電流周圍磁場對機電一體化設備回路耦合形成的干擾。

（3）漏電耦合干擾

漏電耦合干擾：因絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾。2.?電磁干擾的種類（4）共阻抗干擾

共阻抗干擾：指電路各部分公共導線阻抗、地阻抗和電源內阻壓降相互耦合形成的干擾。

如圖6-6所示的串連接地方式，由于接地電阻的存在，三個電路的接地電位明顯不同。當I1(或I2、I3)發(fā)生變化時，A、B、C點的電位隨之發(fā)生變化，導致各電路不穩(wěn)定。

如圖6-7所示的串連接地，由于共有一根接地線，當接地點、接地方式選擇不當，導致接地電阻較大，加上I1、I2、I3電流變化較大時，同樣會導致A、B、C點電位不相等，產生接地干擾。（5）電磁輻射干擾電磁輻射干擾：高頻電磁波向周圍空間輻射形成的干擾。3.?干擾存在的形式（1）串模信號

串模干擾：疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾。

產生串模干擾的原因：有分布電容的靜電耦合、長線傳輸的互感、空間電磁場引起的磁場耦合以及50Hz的工頻干擾等。

干擾信號經常是一些雜亂的波形并含有尖峰脈沖，如圖6-8所示。

圖6-8中Us表示理想測試信號，Uc表示實際傳輸信號，Ug表示不規(guī)則干擾信號。干擾可能來自信號源內部[圖6-8(a)]，也可能來自于導線的感應[圖6-8(b)]。（2）共模干擾

共模干擾：是指同時加載在各個輸入信號接口端的共有的信號干擾。如圖6-9所示。

輸入信號Us的參考接地點和計算機控制系統(tǒng)輸入端參考接地點之間存在電位差Ucm，這個電位差就在轉換器的兩個輸入端上形成共模干擾。

抗干擾技術：就是研究干擾的產生根源、干擾的傳播方式和要避免被干擾需采取的措施(對抗干擾)等問題。

在產品開發(fā)和應用中，除了對被直接控制的對象上的一些干擾源進行抑制外，更多的則是在產品內設法抑制外來干擾的影響，以保證系統(tǒng)可靠地工作。

抑制干擾的措施：屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等。6.2認識抗干擾技術4.?一般抗干擾的措施（1）屏蔽定義：是指利用導電或導磁材料制成的盒狀或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。1)?屏蔽（2）屏蔽種類：①電場屏蔽：消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。②磁場屏蔽：消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。

如圖6-10所示，在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。當漏磁通穿過短路環(huán)時，在銅環(huán)中感生渦流，因此會產生反磁通以抵消部分漏磁通，使變壓器外的磁通減弱。

在如圖6-11所示的同軸電纜中，為防止信號在傳輸過程中受到電磁干擾，在電纜線中設置了屏蔽層。

芯線電流產生的磁場被局限在外層導體和芯線之間的空間中，不會傳播到同軸電纜以外的空間。而電纜外的磁場干擾信號在同軸電纜的芯線和外層導體中產生的干擾電勢方向相同，使電流一個增大、一個減小而相互抵消，總的電流增量為零。許多通信電纜還在外面包裹一層導體薄膜以提高屏蔽外界電磁干擾的作用。2)?隔離

隔離是指把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達到抑制干擾的目的。(1)?光電隔離。

光電隔離：以光作為媒介在隔離的兩端之間進行信號傳輸，所用的器件是光電耦合器。

圖6-12(a)所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路。(2)?變壓器隔離。

對于交流信號的傳輸，一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強度。如圖6-12(b)所示為變壓器耦合隔離電路。圖6-13所示為一種帶多層屏蔽的隔離變壓器。

當含有直流或低頻干擾的交流信號從一次側端輸入時，根據變壓器原理，二次側端輸出的信號濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號幅值也被大大衰減，從而達到了抑制干擾的目的。另外，在變壓器的一次側和二次側線圈外設有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內、外兩層用鐵起磁屏蔽的作用；中間層用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。這三層屏蔽層是為了防止外界電磁場通過變壓器對電路形成干擾而設置的，這種隔離變壓器具有很強的抗干擾能力。(3)?繼電器隔離。

利用繼電器線圈和觸點實現強電和弱電的隔離(如圖6-14所示)。繼電器隔離只適合于開關量信號的傳輸。3)?濾波

濾波：只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。

常用濾波器根據其頻率特性又可分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。

①低通濾波器：只讓低頻成分通過，而高于截止頻率的成分則受到抑制、衰減，不讓通過。

②高通濾波器：只通過高頻成分，而低于截止頻率的成分則受到抑制、衰減，不讓通過。

③帶通濾波器：只讓某一頻帶范圍內的頻率成分通過，而低于下截止頻率和高于上截止頻率的成分均受到抑制，不讓通過。

④帶阻濾波器：只抑制某一頻率范圍內的頻率成分，不讓其通過，而低于下截止頻率和高于上截止頻率的頻率成分則可通過。

圖6-15所示一種LC低通濾波器的接線圖。只有50Hz的工頻信號通過濾波器到達電源變壓器，保證正常供電。

在圖6-16所示電路中，圖(a)抑制閉合或斷開瞬間因觸點抖動所引起的干擾。圖(b)抑制電感性負載在切斷電源瞬間所產生的反電勢。圖(c)所示電路是輸入信號的阻容濾波電路。

如圖6-17所示為一種雙T形帶阻濾波器，可用來消除工頻(電源)串模干擾。圖中輸入信號U1，經過兩條通路送到輸出端。當信號頻率較低時，C1、C2和C3阻抗較大，信號主要通過R1、R2傳送到輸出端；當信號頻率較高時，C1、C2和C3容抗很小，接近短路，所以信號主要通過C1、C2傳送到輸出端。只要參數選擇得當，就可以使濾波器在某個中間頻率f0時，由C1、C2和R3支路傳送到輸出端的信號U2，與由R1、R2和C3支路傳送到輸出端的信號U1大小相等、相位相反，互相抵消，于是總輸出為零。f0為雙T形帶阻濾波器的諧振頻率。在參數設計時，使f0=50Hz，雙T形帶阻濾波器就可濾除工頻干擾信號。5.?正確接地在抗干擾中的作用

接地：將電路、設備機殼等與作為零電位的一個公共參考點(大地)實現低阻抗的連接。

接地的目的：（1）為保護人身和設備安全，避免雷擊、漏電、靜電等危害。

此類地線稱為保護地線，應與真正大地連接。

（2）為了保證設備的正常工作。1)?地的分類(1)?信號地

信號地(SG)：指各種物理量的傳感器和信號源零電位以及電路中信號的公共基準地線(相對零電位)。(2)?模擬地

模擬地(AG)：系統(tǒng)中模擬電路零電位的公共基準地線。(3)?數字地

數字地(DG)：系統(tǒng)中數字電路零電位的公共基準地線。

圖6-18所示為模擬地和數字地。在PCB布線的時候，模擬地和數字地應盡量分開。(4)?懸浮地

懸浮地(FG)：系統(tǒng)中部分電路的地與整個系統(tǒng)的地不直接連接，而是通過變壓器耦合或者直接不連接，處于懸浮狀態(tài)。

優(yōu)點：是電路不受系統(tǒng)中電氣和干擾的影響。

缺點：是電路易受寄生電容的影響，而使電路的地電位變動，增加對模擬電路的感應干擾。

在圖6-19所示的VDD-SGND的電源供電系統(tǒng)中，但是SGND和DGND之間的電平處于懸浮狀態(tài)。(5)?電源地。

電源地：系統(tǒng)電源零電位的公共基準地線。

由于電源往往同時供電給系統(tǒng)中的各個單元，而各個單元要求的供電性質和參數可能有很大差別，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠地工作，又要保證其他單元穩(wěn)定可靠地工作。同時，電源系統(tǒng)功耗比較大，在單層板或者雙層板中地線的線寬必須加粗。若在多層板中，則應以一層或者多層作為系統(tǒng)的地平面。

（6）功率地。

功率地：負載電路或功率驅動電路的零電位的公共基準地線。

由于負載電路或功率驅動電路的電流較強、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大，因此功率地必須與其他弱電地分別設置、分別布線，以保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。2)?一點接地

如圖6-6所示為串聯一點接地，由于地電阻R1、R2和R3是串聯的，所以各電路間將相互發(fā)生干擾。雖然這種接地方式很不合理，但由于比較簡單，用的地方仍然很多。

使用這種串聯一點接地方式時應注意把低電平的電路放在距接地點最近的地方，即圖6-6中最接近地電位的A點上。

如圖6-20所示是并聯一點接地方式。這種方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是需要連接很多根地線，用起來比較麻煩。3)?多點接地

多點接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。如圖6-21所示，各接地點就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構件上。4)?地線的設計舉例圖6-22所示是一臺數控機床的接地方法。

接地系統(tǒng)形成3個通道：信號接地通道、功率接地通道、機械接地通道。6.?軟件抗干擾設計

機電一體化系統(tǒng)(裝置)常見的軟件抗干擾措施有軟件濾波、軟件陷阱和軟件看門狗等。1)?軟件濾波

軟件濾波：通過一定的計算或判斷程序，減少干擾在有用信號中的比重，實質上是通過程序來濾波。軟件濾波的優(yōu)點主要有：①

軟件濾波是通過程序實現的，不需要增加硬件設備，可靠性和穩(wěn)定性較高。②

軟件濾波可以對頻率很低(如0.0lHz)的信號實現濾波。③

軟件濾波，濾波方式，靈活