第七章抗干扰技术 电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行， 轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度：重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备 损坏或人身伤亡。 抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施（对抗）等 问题。机电一体化系统的设计中，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰 同时还要防止对环境的干扰污染。国家标准中规定了电子产品的电磁辐射参数指标。 第一节产生干扰的因素 一。干扰的定义 干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化 系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等，在众多于 扰中，电磁干扰最为普遍，且对控制系统影响最大，而其它干扰因素往往可以通过一些物理 的方法较容易地解决。本节重点介绍电磁干扰的相关内容。 申磁干扰是指在工作过程中受环培因素的影向，出现的一些与有用信号无关的，并日对 系统性能或信号传输有害的电气变化现象。这些有害的电气变化现象使得信号的数据发生 态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障。例如传感器的导 线受空中磁场影响产生的感应电势会大于测量的传感器输出信号，使系统判新失灵。 二、形成干扰的三个要素 干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰 都不会产生 1、干扰调 产生干扰信号的设备被称作干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和 高压电线等都可以产生空中电磁信号。当然，雷电、太阳和字宙射线属于干扰源。 2、传播途径 传播途径是指干扰信号的传播路径。电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的传播叫 作辐射方式传播：电磁信号借助导线传入设备的传播被称为传导方式传播。传播途径是干扰 扩散和无所不在的主要原因。 3、接受载体 接受载体是指受影响的设备的某个环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电 器参数。接受载体不能感应干扰信号或弱化干扰信号使其不被干扰影响就提高了抗干扰的能 力。接受载体的接受过程又成为耦合，耦合分为两类，传导耦合和辐射耦合。传导耦合是 电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件（如电容器、变压器等）耦合至接受 载体。辐射耦合指电磁干扰能量通过空间以电磁场形式耦合至接受载体。 根据干扰的定义可以看出，信号之所以是干扰是因为它对系统造成的不良影响，反之， 不能称其为干扰。从形成干扰的要素可知，消除三个要素中的任何一个，都会避免干扰。抗 干扰技术就是针对三个要素的研究和处理 三、电磁干扰的种类 按干扰的耦合模式分类，电磁干扰包括下列类型
1 第七章 抗干扰技术 干扰问题是机电一体化系统设计和使用过程中必须考虑的重要问题。在机电一体化系统 的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的 电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行， 轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备 损坏或人身伤亡。 抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施（对抗）等 问题。机电一体化系统的设计中，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰， 同时还要防止对环境的干扰污染。国家标准中规定了电子产品的电磁辐射参数指标。 第一节 产生干扰的因素 一、干扰的定义 干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化 系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等，在众多干 扰中，电磁干扰最为普遍，且对控制系统影响最大，而其它干扰因素往往可以通过一些物理 的方法较容易地解决。本节重点介绍电磁干扰的相关内容。 电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对 系统性能或信号传输有害的电气变化现象。这些有害的电气变化现象使得信号的数据发生瞬 态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障。例如传感器的导 线受空中磁场影响产生的感应电势会大于测量的传感器输出信号，使系统判断失灵。 二、形成干扰的三个要素 干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。三个要素缺少任何一项干扰 都不会产生。 1、干扰源 产生干扰信号的设备被称作干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和 高压电线等都可以产生空中电磁信号。当然，雷电、太阳和宇宙射线属于干扰源。 2、传播途径 传播途径是指干扰信号的传播路径。电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的传播叫 作辐射方式传播；电磁信号借助导线传入设备的传播被称为传导方式传播。传播途径是干扰 扩散和无所不在的主要原因。 3、接受载体 接受载体是指受影响的设备的某个环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电 器参数。接受载体不能感应干扰信号或弱化干扰信号使其不被干扰影响就提高了抗干扰的能 力。接受载体的接受过程又成为耦合，耦合分为两类，传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指 电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件（如电容器、变压器等）耦合至接受 载体。辐射耦合指电磁干扰能量通过空间以电磁场形式耦合至接受载体。 根据干扰的定义可以看出，信号之所以是干扰是因为它对系统造成的不良影响，反之， 不能称其为干扰。从形成干扰的要素可知，消除三个要素中的任何一个，都会避免干扰。抗 干扰技术就是针对三个要素的研究和处理。 三、电磁干扰的种类 按干扰的耦合模式分类，电磁干扰包括下列类型
1、静电干扰 大量物体表面都有静电电荷的存在，特别是含电气控制的设备，静电电荷会在系统中形 成静电电场。静电电场会引起电路的电位发生变化：会通过电容精合 产生干 静电干扰 包括电路周围物件上积聚的电荷对电路的泄放，大载流导体（输电线路）产生的电场通过寄 生电容对机电一体化装置传输的耦合干扰等等。 )、裁场理合干护 大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。动力线、电动机、发电机、电 源变压器和继电器等都会产生这种磁场。产生磁场干扰的设备往往同时伴随着电场的干扰 因此又统一称为电磁干扰。 3、漏电耦合干扰 绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰。多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退 化、器件本身老化的情况下。 4、共阻抗干扰 共阻抗干扰是指电路各部分公共导线阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的于 扰。这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图7-1所示的串联的接地方式，由于接地 电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。当11（或2、I,)发生变化时，A、B、C点 的电位随之发生变化，导致各电路的不稳定。 电路1 电路2 电路3 4++6 图7-1接地共阻抗干扰 5、电磁辐射干扰 由各种大功率高频、中频发生装置、各种电火花以及电台电视台等产生的高频电磁波 向周围空间辐射，形戒电磁辐射干扰。雷电和字宙空间也会有电磁波干扰信号。 四、干扰存在的形式 在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。 1、串模信号 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称描向干扰。产生串模干扰的原因有分布 电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合，以及50亚的 频干扰等 在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较缓慢），而干扰信号经常是一些 乱的波形和含有尖峰脉冲，如图7-2c所示，图中Us表示理想测试信号，Uc表示实际传输 信号，U.表示不规测干扰信号。干扰可能米自信号源内部（图72：），也可能米源于导线的 感应（图7-2b). 2、共模干扰 共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口断的共有的信号干扰。如图73所示检 测信号输入AWD转换器的两个输入端上的公有的电压干扰。由于输入信号源与主机有较长 距离，输入信号U,的参考接地点和计算机控制系统输入端参考接地点之间存在电位差Um。 这个电位差就在转换器的两个输入端上形成共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到输入
2 1、静电干扰 大量物体表面都有静电电荷的存在，特别是含电气控制的设备，静电电荷会在系统中形 成静电电场。静电电场会引起电路的电位发生变化；会通过电容耦合产生干扰。静电干扰还 包括电路周围物件上积聚的电荷对电路的泄放，大载流导体（输电线路）产生的电场通过寄 生电容对机电一体化装置传输的耦合干扰等等。 2、 磁场耦合干扰 大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。动力线、电动机、发电机、电 源变压器和继电器等都会产生这种磁场。产生磁场干扰的设备往往同时伴随着电场的干扰， 因此又统一称为电磁干扰。 3、漏电耦合干扰 绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰。多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退 化、器件本身老化的情况下。 4、共阻抗干扰 共阻抗干扰是指电路各部分公共导线阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干 扰。这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图 7-1 所示的串联的接地方式，由于接地 电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。当 I 1 （或 I 2 、I 3 ）发生变化时，A、B、C 点 的电位随之发生变化，导致各电路的不稳定。 图 7-1 接地共阻抗干扰 5、电磁辐射干扰 由各种大功率高频、中频发生装置、各种电火花以及电台电视台等产生的高频电磁波， 向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。雷电和宇宙空间也会有电磁波干扰信号。 四、干扰存在的形式 在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。 1、串模信号 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰。产生串模干扰的原因有分布 电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合，以及 50Hz 的工频干扰等。 在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较缓慢），而干扰信号经常是一些杂 乱的波形和含有尖峰脉冲，如图 7-2c 所示，图中 US 表示理想测试信号，UC 表示实际传输 信号，Ug表示不规则干扰信号。干扰可能来自信号源内部（图 7-2a），也可能来源于导线的 感应（图 7-2b）。 2、共模干扰 共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口断的共有的信号干扰。如图 7-3 所示检 测信号输入 A/D 转换器的两个输入端上的公有的电压干扰。由于输入信号源与主机有较长 距离，输入信号 Us 的参考接地点和计算机控制系统输入端参考接地点之间存在电位差 Ucm。 这个电位差就在转换器的两个输入端上形成共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到输入
点A上的信号为U,+Um,加到输入点B上也有信号Um 图7-2串模干扰示意图 图7-3 共模干扰示意图 第二节抗干扰的措施 提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，使其不向外产生干扰或将其干扰影响限 制在允许的范围之内。由于车间现场干扰源的复杂性，要想对所有的干扰源都作到使其不向 外产生干扰，几乎是不可能的，也是不现实的。另外，来自于电网和外界环境的干扰，机电 一体化产品用户环境的干扰源也是无法避免的。因此，在产品开发和应用中，除了对一些重 要的干扰源，主要是对被直接控制的对象上的一些干扰源进行抑制外，更多的则是在产品内 设法抑制外来干扰的影响，以保证系统可靠地工作。 抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法 一、屏蔽 屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从 而割断或制弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不 同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场合引起的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的 金属材料作屏蔽体。屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地。 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。对静磁场及低频交变磁场，可用 高磁导率的材料作屏蔽体，并保证磁路畅通。对高频交变磁场，由于主要靠屏蔽体壳体上感
3 点 A 上的信号为 Us+Ucm，加到输入点 B 上也有信号 Ucm。 图 7-2 串模干扰示意图 图 7-3 共模干扰示意图 第二节 抗干扰的措施 提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，使其不向外产生干扰或将其干扰影响限 制在允许的范围之内。由于车间现场干扰源的复杂性，要想对所有的干扰源都作到使其不向 外产生干扰，几乎是不可能的，也是不现实的。另外，来自于电网和外界环境的干扰，机电 一体化产品用户环境的干扰源也是无法避免的。因此，在产品开发和应用中，除了对一些重 要的干扰源，主要是对被直接控制的对象上的一些干扰源进行抑制外，更多的则是在产品内 设法抑制外来干扰的影响，以保证系统可靠地工作。 抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法 一、屏蔽 屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从 而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不 同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的 金属材料作屏蔽体。屏蔽体结构应尽量完整严密并保持良好的接地。 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。对静磁场及低频交变磁场，可用 高磁导率的材料作屏蔽体，并保证磁路畅通。对高频交变磁场，由于主要靠屏蔽体壳体上感
生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。选用材料也是良导体，如铜、铝等。 如图-4所示的变压器，在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环。当漏硒 通穿过短路环时，在铜环中感生涡流，因此会产生反磁通以抵消部分漏磁通，使变压器外的 磁通减弱。屏蔽的效果与屏蔽层数量和每层厚度有关。 图74变压器的屏蔽 如图75所示的同轴电缆中，为防止在信号传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置 了屏蔽层。芯线电流产生的磁场被局限在外层导体和芯线之间的空间中，不会传播到同轴电 缆以外的空间。而电缆外的磁场干扰信号在同轴电缆的芯线和外层导体中产生的干扰电势方 向相同，使电流一个增大，一个减小而相互抵消，总的电流增量为零。许多通信电缆还在外 面包裹一层导体薄膜以提高屏蔽外界电磁干扰的作用。 八3 图7-5同轴电缆示意图 1一芯线2一绝缘体3一外层导线4一绝缘外皮 二、隔离 隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断 达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。 1、光电隔离 光电隔离是以光作媒介在隔离的两端间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由 于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作
4 生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。选用材料也是良导体，如铜、铝等。 如图 7-4 所示的变压器，在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环。当漏磁 通穿过短路环时，在铜环中感生涡流，因此会产生反磁通以抵消部分漏磁通，使变压器外的 磁通减弱。屏蔽的效果与屏蔽层数量和每层厚度有关。 图 7-4 变压器的屏蔽 如图 7-5 所示的同轴电缆中，为防止在信号传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置 了屏蔽层。芯线电流产生的磁场被局限在外层导体和芯线之间的空间中，不会传播到同轴电 缆以外的空间。而电缆外的磁场干扰信号在同轴电缆的芯线和外层导体中产生的干扰电势方 向相同，使电流一个增大，一个减小而相互抵消，总的电流增量为零。许多通信电缆还在外 面包裹一层导体薄膜以提高屏蔽外界电磁干扰的作用。 图 7-5 同轴电缆示意图 1－芯线 2－绝缘体 3－外层导线 4－绝缘外皮 二、隔离 隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断， 达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。 1、光电隔离 光电隔离是以光作媒介在隔离的两端间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由 于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作
为媒介物进行耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。如图7-6所示为一般光电耦合 器组成的输入/输出线路。在控制系统中，它既可以用作一般输入输出的题离，也可以代替 脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。由于光电耦合器具有 三极管的电气特性 使它能方便地组合成各种电路。又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的 能力，从而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。 忠克乐器 图7-6光电隔离和变压器隔离原理 光电 b 变压器隔 由于光耦合器共模抑制比大、无触点、寿命长、易与逻辑电路配合、响应速度快、小型 耐冲击且稳定可靠，因此在机电一体化系统特别是数字系统中得到了广泛的应用。 2、变压器隔离 对干交流信号的传输一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔密 部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。如图6和所示变压器 耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数宁 地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。 如图7-7所示为一种带多层屏蔽的隔离变压器。当含有直流或低频干扰的交流信号从 次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值 也被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。另外，在变压器的一次侧和二次侧线圈外设有 静电隔离层S1和S, 其目的是防山 一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的 屏蔽密封体的内外两层用铁，起磁屏蔽的作用，中间用铜，与铁心相连并直接接地，起静电 屏蔽作用。这三层屏蔽层是为了防止外界电磁场通过变压器对电路形成干扰，这种隔离变压 器具有很强的抗干扰能力。 3、缘由器隔离 电器线图和触点仅有机械上形成联系，而没有 直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接受电信号 而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和 弱电的隔离（如图7-8）。同时，继电器触点较多，且 其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。 图7-7多层隔离变压器 图7-8继电器隔离
5 为媒介物进行耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。如图 7-6a 所示为一般光电耦合 器组成的输入/输出线路。在控制系统中，它既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替 脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性， 使它能方便地组合成各种电路。又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的 能力，从而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。 图 7-6 光电隔离和变压器隔离原理 a） 光电隔离 b） 变压器隔离 由于光耦合器共模抑制比大、无触点、寿命长、易与逻辑电路配合、响应速度快、小型、 耐冲击且稳定可靠，因此在机电一体化系统特别是数字系统中得到了广泛的应用。 2、变压器隔离 对于交流信号的传输一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离 部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。如图 7-6b 所示变压器 耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字 地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。 如图 7-7 所示为一种带多层屏蔽的隔离变压器。当含有直流或低频干扰的交流信号从一 次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值 也被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。另外，在变压器的一次侧和二次侧线圈外设有 静电隔离层 S1 和 S2，其目的是防止一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的三层 屏蔽密封体的内外两层用铁，起磁屏蔽的作用，中间用铜，与铁心相连并直接接地，起静电 屏蔽作用。这三层屏蔽层是为了防止外界电磁场通过变压器对电路形成干扰，这种隔离变压 器具有很强的抗干扰能力。 3、继电器隔离 继电器线圈和触点仅有机械上形成联系，而没有 直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接受电信号， 而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和 弱电的隔离（如图 7-8）。同时，继电器触点较多，且 其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。 图 7-8 继电器隔离 图 7-7 多层隔离变压器