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定位控制系統(tǒng)的抗干擾分析


一、引言 
   隨著計算機(jī)電子電力和傳感器技術(shù)的發(fā)展,我國的機(jī)電一體化水平也越來越高,機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新發(fā)展。因此,機(jī)電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注,它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
    目前,很多的自動化設(shè)備對定位的要求越來越嚴(yán)格,定位控制技術(shù)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心部分,其可靠性和穩(wěn)定性直接影響設(shè)備的性能,影響其可靠性和穩(wěn)定性的主要因素之一是抗干擾問題,如何有效地解決干擾問題是定位控制系統(tǒng)的設(shè)計中的一個不容忽視的課題。
二、定位控制系統(tǒng)的組成
    一個完整的定位控制系統(tǒng)一般是由上位控制器、執(zhí)行電機(jī)、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和位置檢測元件等組成,其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示:
    上位控制器將分析、計算所得出的運(yùn)動命令以數(shù)字脈沖信號或模擬量的形式送到電機(jī)驅(qū)動器中,驅(qū)動器進(jìn)行功率變換,并驅(qū)動電機(jī)根據(jù)上位控制指令轉(zhuǎn)動,同時,若執(zhí)行機(jī)構(gòu)為交流伺服系統(tǒng),電機(jī)端部的光電編碼器或檢測直線軌跡的光柵(或磁柵尺)將檢測到的位置反饋到控制器或驅(qū)動器中,構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)控制。
三、干擾現(xiàn)象
    在應(yīng)用中,常會遇到以下幾種主要干擾現(xiàn)象:
    1、控制系統(tǒng)未發(fā)指令時,電機(jī)無規(guī)則地轉(zhuǎn)動。
    2、伺服電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時,我們讀電機(jī)的實際位置時,由電機(jī)端部的光電編碼器反饋回的數(shù)值是亂跳的。
    3、伺服電機(jī)運(yùn)行時,所讀取的編碼器的值與所發(fā)出指令值不吻合,且誤差值是隨機(jī)的,無規(guī)律的。
    4、伺服電機(jī)運(yùn)行時,所讀取的編碼器的值與所發(fā)出指令值的差值為一穩(wěn)定的值或呈周期性變化。
    5、使交流伺服系統(tǒng)共用同一電源的設(shè)備(如顯示器等)工作不正常。
    
四、干擾源分析
    干擾進(jìn)入定位控制系統(tǒng)的渠道主要有兩類:信號傳輸通道干擾,干擾通過與系統(tǒng)相聯(lián)的信號輸入通道、輸出通道進(jìn)入;供電系統(tǒng)干擾。
    信號傳輸通道是控制系統(tǒng)或驅(qū)動器接收反饋信號和發(fā)出控制信號的途徑,因為脈沖波在傳輸線上會出現(xiàn)延時、畸變、衰減與通道干擾,在傳輸過程中,長線的干擾是主要因素。
    任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻,正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾,如果沒有內(nèi)阻,無論何種噪聲都會被電源短路吸收,在線路中不會建立起任何干擾電壓,此外,交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動器本身也是較強(qiáng)的干擾源,它可以通過電源對其他設(shè)備進(jìn)行干擾。
五、抗干擾的措施
1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計
    (1)實行電源分組供電,例如,將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動電源與控制電源分開,以防止設(shè)備間的干擾。
    (2)采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動器對其他設(shè)備的干擾。該措施對以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。
    (3)采用隔離變壓器,考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初次級線圈的互感耦合,而是靠初次級寄生電容耦合的,因此隔離變壓器的初次級之間均用屏蔽層隔離,減少其分布電容,以提高抗共模干擾能力。
2、信號傳輸通道的抗干擾設(shè)計
    (1)光電耦合隔離措施
    在長距離傳輸過程中,采用光電耦合器,可以將控制系統(tǒng)與輸入通道、輸出通道以及伺服驅(qū)動器的輸入、輸出通道切斷電路之間的聯(lián)系。如果在電路中不采用光電隔離,外部的尖峰干擾信號會進(jìn)入系統(tǒng)或直接進(jìn)入伺服驅(qū)動裝置,產(chǎn)生第一種干擾現(xiàn)象。
    光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾 , 從而使信號傳輸過程中的信噪比大大提高。主要原因是:干擾噪聲雖然有較大的電壓幅度,但能量小,只能形成微弱電流,而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作,一般導(dǎo)通電流為10-15mA,所以即使有很高的大雅幅度的干擾,由于不能提供足夠的電流而被抑制掉。
    (2)雙絞屏蔽線長線傳輸
    信號在傳輸過程中會受到電場、磁場和地阻抗等干擾因素的影響,采用接地屏蔽線可以減小電場的干擾。
    雙絞線與同軸電纜相比,雖然頻帶較差,但波阻抗高,抗共模噪聲能力強(qiáng),能使各個小環(huán)節(jié)的電磁感應(yīng)干擾相互抵消。
    另外,在長距離傳輸過程中,一般采用差分信號傳輸,提高抗干擾性能。采用雙絞屏蔽線長線傳輸可以有效地抑制第二、三、四種干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生。
    (3)接地
    接地可以消除電流流經(jīng)地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓,除了要將伺服系統(tǒng)接大地外,信號屏蔽線也要接地,防止靜電感應(yīng)和電磁干擾。如果沒有正確的接地,則可能會出現(xiàn)第二種干擾現(xiàn)象。
六、小結(jié)
    抗干擾是一個非常復(fù)雜、實踐性很強(qiáng)的問題,一種干擾現(xiàn)象可能時由若干因素引起的。因此,在定位控制系統(tǒng)的設(shè)計中,我們不僅應(yīng)預(yù)先采取抗干擾的措施,在調(diào)試過程中還應(yīng)及時分析出遇到的現(xiàn)象,對系統(tǒng)的電路原理、具體布線、屏蔽、防護(hù)形式不斷改進(jìn),提高系統(tǒng)是可靠性和穩(wěn)定性。

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