定位控制系统的抗干扰分析

　　一、引言

　　随着计算机电子电力和传感器技术的发展，我国的机电一体化水平也越来越高，机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新发展。因此，机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

　　目前，很多的自动化设备对定位的要求越来越严格，定位控制技术作为机电一体化系统的核心部分，其可靠性和稳定性直接影响设备的性能，影响其可靠性和稳定性的主要因素之一是抗干扰问题，如何有效地解决干扰问题是定位控制系统的设计中的一个不容忽视的课题。

　　二、定位控制系统的组成

　　一个完整的定位控制系统一般是由上位控制器、执行电机、机械传动机构和位置检测元件等组成，其结构框图如下图所示：

　　上位控制器将分析、计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到电机驱动器中，驱动器进行功率变换，并驱动电机根据上位控制指令转动，同时，若执行机构为交流伺服系统，电机端部的光电编码器或检测直线轨迹的光栅（或磁栅尺）将检测到的位置反馈到控制器或驱动器中，构成半闭环或全闭环控制。

　　三、干扰现象

　　在应用中，常会遇到以下几种主要干扰现象：

　　1、控制系统未发指令时，电机无规则地转动。

　　2、伺服电机在静止状态时，我们读电机的实际位置时，由电机端部的光电编码器反馈回的数值是乱跳的。

　　3、伺服电机运行时，所读取的编码器的值与所发出指令值不吻合，且误差值是随机的，无规律的。

　　4、伺服电机运行时，所读取的编码器的值与所发出指令值的差值为一稳定的值或呈周期性变化。

　　5、使交流伺服系统共用同一电源的设备（如显示器等）工作不正常。

　　四、干扰源分析

　　干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类：信号传输通道干扰，干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入；供电系统干扰。

　　信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径，因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰，在传输过程中，长线的干扰是主要因素。

　　任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压，此外，交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源，它可以通过电源对其他设备进行干扰。

　　五、抗干扰的措施

　　1、供电系统的抗干扰设计

　　（1）实行电源分组供电，例如，将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。

　　（2）采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其他设备的干扰。该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。

　　（3）采用隔离变压器，考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初次级线圈的互感耦合，而是靠初次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰能力。

　　2、信号传输通道的抗干扰设计

　　（1）光电耦合隔离措施

　　在长距离传输过程中，采用光电耦合器，可以将控制系统与输入通道、输出通道以及伺服驱动器的输入、输出通道切断电路之间的联系。如果在电路中不采用光电隔离，外部的尖峰干扰信号会进入系统或直接进入伺服驱动装置，产生第一种干扰现象。

　　光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰 ，从而使信号传输过程中的信噪比大大提高。主要原因是：干扰噪声虽然有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，一般导通电流为10-15mA，所以即使有很高的大雅幅度的干扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉。

　　（2）双绞屏蔽线长线传输

　　信号在传输过程中会受到电场、磁场和地阻抗等干扰因素的影响，采用接地屏蔽线可以减小电场的干扰。

　　双绞线与同轴电缆相比，虽然频带较差，但波阻抗高，抗共模噪声能力强，能使各个小环节的电磁感应干扰相互抵消。

　　另外，在长距离传输过程中，一般采用差分信号传输，提高抗干扰性能。采用双绞屏蔽线长线传输可以有效地抑制第二、三、四种干扰现象的产生。

　　（3）接地

　　接地可以消除电流流经地线时所产生的噪声电压，除了要将伺服系统接大地外，信号屏蔽线也要接地，防止静电感应和电磁干扰。如果没有正确的接地，则可能会出现第二种干扰现象。

　　六、小结

　　抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能时由若干因素引起的。因此，在定位控制系统的设计中，我们不仅应预先采取抗干扰的措施，在调试过程中还应及时分析出遇到的现象，对系统的电路原理、具体布线、屏蔽、防护形式不断改进，提高系统是可靠性和稳定性。