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基于机电一体化自动控制系统的电磁干扰屏蔽设

在机电一体化的自动节制系统设计历程中,弗成避免地应用到许多的感性器件。这些器件不仅会孕育发生电磁滋扰,而且会造成触点间的电火花或电弧滋扰(也称为瞬变噪声滋扰)。这种滋扰不仅会影响节制系统的正常事情,而且会对电源造成污染使电网受到冲击。

近期在水质综合毒性在线自动阐发节制系统的设计钻研中,应用了电磁阀继电器等感性元器件。初步设计中对感性器件抗滋扰的设计斟酌不够,呈现了许多问题:系统法度榜样常常跑飞,节制器逝世机;器件呈现误操作,系统无法正常事情。本文主要针对该系统设计历程中呈现的问题进行阐发,从而得出自动节制系统设计中抑制感性器件和设备滋扰的基础步伐。

1 滋扰成因阐发

系统的关键履行单元是数据采集部分,履行器件主如果步进电机和电磁阀。这两种器件皆为感性负载,是引入滋扰的主要器件。设计中系统要求步进电机扭矩对照小,成熟的驱动电路具有优越的抗滋扰能力。以是电磁阀节制部分是本系统最大年夜的滋扰滥觞。

为实现测试液剂的正确添加,系统设计中采纳了周详的电磁阀作为流量电磁开关。鉴于以往设计中常常碰到电压不够导致电磁阀不能完全打开的环境,系统选用交流220V供电电磁阀以满意对其完全开闭节制的要求。电磁阀的开闭节制则采纳了性价比合理的继电器作为关键节制器件。节制电磁阀的驱动电路框图如图1。

由图1可以看出,系统引入了两种感性器件:继电器和电磁阀。系统测试运行未接入电磁阀时,运行正常。当接入电磁阀时,系统呈现法度榜样跑飞,逝世机等征象。这就证明了:电磁阀是本系统最主要的滋扰源。本文将针对电磁阀开闭时孕育发生滋扰的环境进行具体的阐发。

电磁阀开启和断开时,其内部线圈中电流会发生突变。由电磁感应定律可知,电路中会形成一个很大年夜的反向感应电动势,这个感应电动势就是系统孕育发生滋扰的根源所在。感性线圈可以等效成抱负电感电阻的串联,线圈本身又具有散播电容。把电源电压在某时候的瞬时价用直流电源来等效。电磁阀断开前后的等效电路如图2。

开关K闭合电路处于稳态时电容电压为E,流过电感的电流为I=E/R。当开关断开后电磁阀侧电路构成RLC二阶串联收集。电容电压UC将按照二阶收集的规律变更。由基尔霍夫定律可得:

,可得二阶齐次微分方程:

其特性方程为:

由此解得特性根为:

特性解的环境可分为三种环境:

1)时,为两个不相等的实根。此时电路处于过阻尼振荡状态。

2)时,为两个相等的实根。电路处于临界阻尼振荡状态。

3)时,为两个共轭虚根。电路处于欠阻尼振荡状态。

由物理常识和电路阐发常识可知,当

电路处于欠阻尼振荡状态时,会呈现最大年夜值。经谋略得:

此中,。A的值与0时候初始值有关。

开关断开后,Uc(0)为0时,将达到最大年夜值。此种环境下,电感中储能最大年夜。负载侧电压最高,每每可以达到数千伏,故滋扰最严重,以此为初始前提可以求得负载侧电压为:

以上阐发可知,应用开关来节制电磁阀的开闭时会孕育发生频率高、幅值大年夜的感应电压(它被称为“浪涌电压”)。这个电压每每会跨越开关触点间隙最小击穿电压(一样平常为320V),呈现电弧击穿征象。这时开关断开并不是一次性完成的,而是一个反复的开、闭串历程,这就会造成接点间电火花或电弧滋扰(也称瞬变噪声滋扰)。这个历程会导致孕育发生含有富厚高频谐波的滋扰旌旗灯号。

系统设计中,为了应用方便选用了对照常用的交流220V电磁阀作为履行器件。电磁阀的开闭节制器件选用了性价比对照高的5V直流继电器。继电器的内部布局以及与

电磁阀的接口如图3所示。

由图3可以看出,交流电磁阀直接挂接在220V的交流供电线上,节制电磁阀开闭的是继电器。继电器节制真个电感线圈作为电磁铁而存在,系统经由过程节制线圈的通断电来节制衔铁动作,从而实现对被节制端触点开闭的节制。虽然继电器的节制端和被节制端实现了电气隔离,然则继电器的开闭是经由过程机器动作实现的。这就难以避免的呈现电弧击穿征象,击穿历程中的电弧、电火花会导致强烈的电磁滋扰,它会经由过程电感耦合的要领进入节制端,致使节制端受到必然程度的滋扰。

别的,继电器本身也是一种感性器件,以是节制系统为了避免这些感性器件引入滋扰,平日采纳光电耦合的要领来进行隔离。一样平常来说采纳光电隔离技巧可以避免一样平常感性器件利用所导致的滋扰问题。常用的接口电路如图4所示。图中U2是光电耦合器件,本系统采纳的是光耦4N25。电路中二极管D1作为续流管,能很大年夜程度上抑制继电器孕育发生的浪涌电压从而低落滋扰强度。只管如斯,假如节制系统的电源和地线不做特殊的设计,继电器的滋扰感化依然存在,滋扰旌旗灯号会经由过程地线串入节制系统,使得系统电源不稳定。

2 滋扰抑制步伐

为了彻底办理感性器件导致的滋扰问题,使节制系统正常事情。设计规划颠最后多次改进。本处主要针对系统设计中采纳的抑制步伐进行先容。

(1)采纳RC接受回路进行滋扰抑制

第二部分理论阐发奉告我们,含感性器件的电路开闭历程中孕育发生的感应电动势大年夜小与等效电路中的电阻和电容值有关,以是可以经由过程引入RC收集的要领来对滋扰进行抑制。RC接受回路是抑制感性负载滋扰的一种靠得住的办理规划。这种措施价格低廉,选择相宜的参数可以获得优越的滋扰抑制效果,并且对交直流电源都适用。

采纳RC接受回路时必要对电阻、电容的参数做合理的选择。在直流回路中,电容的参数值为0.01~2μF,线圈电感越大年夜,则C也越大年夜;R的参数值为几十到几百欧姆。交流回路中,C的参数值为0.4~1μF(2μF),电容的耐压值;R值为几十到几千欧,电阻的额定功率为2W。一样平常环境下,R、C的值选择100Ω和0.1μF即可,当触点容量对照大年夜时可以选择470Ω和0.47μF。经实验验证感性负载的RC收集设置设置设备摆设摆设参数如表1所示:

还应留意的是RC接受回路必要被直接并联在电感线圈的两端,而不能直接接在电子节制装配上,主要缘故原由是连接线过永劫,导线的散播参数会影响RC接受回路的感化。本系统应用的电磁阀其线圈电感不是很大年夜,故RC接受电路的电阻和电容参数值选用常用值100Ω和0.47μF即可。实际操作中将电阻和电容连接好后,直接接在接近电磁阀的两根电源线上即可。

(2)电源及地线的设计

为防止感性负载引入的滋扰串入电源,设计中继电器供电电源和节制器电源应严格分开,继电器采纳自力供电要领。别的,因为滋扰也会经由过程地线自耦合串入节制系统,是以线路板结构和布线时,继电器的地线要和其它器件的地线严格分隔开来。图5是节制器线路板上电源和地线的连接示意框图。由图可以看出节制器和其它接口电路共用电源B和数字地GNDB。继电器部分则应用自力的电源A,地线也是自力的地GNDB。数字地和模拟地经由过程0电阻实现单点接地。这样可以很好的防止继电器滋扰污染节制器电源或者经由过程地线串入节制系统。

(3)电磁滋扰的樊篱设计

本系统存在多个节制器,主节制器和帮助节制器之间经由过程串行通信实现和谐事情。为了实现节制器间的正常通信和系统的正常事情,也为了使系统本身孕育发生的电磁滋扰不污染外界情况,设计中必须斟酌电磁滋扰的樊篱处置惩罚。

金属樊篱体的樊篱效能是由反射损耗和接受损耗而获得的。对付电场的樊篱,樊篱体必须接地;对付磁场的樊篱,樊篱体则不必接地。

系统节制器间通信旌旗灯号采纳樊篱电缆进行传输。樊篱电缆的樊篱效能,主要不是因反射和接受衰减而引起的,而是由樊篱层接地所孕育发生。以是樊篱电缆的樊篱层必然要接地才能起到樊篱感化。樊篱电缆的樊篱效能与所用的材料、樊篱层的编织密度和线缆的弯曲程度等身分有关系。系统设计中采纳樊篱层编织密度对照高的单芯细缆。这种樊篱电缆的优点是,电缆弯曲时不会对樊篱效果有太大年夜影响,而且线缆对照的细得当狭小空间接线、走线。异常得当本系统布线艰苦的特征。

线路板被装置在性价比对照高的金属围框中,由此实现电磁樊篱。围框的金属层对照的厚,足以实现对强磁场的樊篱。围框两个侧面打细孔作为走线孔,全部围框经由过程导线与大年夜地连接,从而实现优越的接地。

3 停止语

自动节制系统设计中常用到感性负载器件和设备,对付这些器件的抗滋扰设计是个难点。文中针对近期设计水质综合毒性在线自动阐发节制系统中呈现的滋扰问题(主要由感性器件电磁阀和继电器引起,征象为:常常性的法度榜样跑飞、逝世机和显示器花屏等)做了深刻的理论阐发,并提出了一套行之有效的抑制步伐。对调剂后的系统进行反复测试,结果注解:系统本身运转正常,稳定性优越;系统对周围情况的电磁滋扰影响极小;对交流220V电网的污染也节制到了要求范围内。

责任编辑;zl

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