1、2022-12-24第10章 微机控制系统的可靠性与抗干扰技术 2022-12-24概述n计算机控制系统运行环境往往比较恶劣和复杂,不仅环境温度变化大、湿度大,有粉尘、振动和腐蚀气体,而且周围还有电气干扰,这些都会影响到系统的正常工作,轻则影响控制精度,重则使系统失灵瘫痪。n计算机控制系统通常要求长期连续工作,不能随意关机、复位或重新启动。2022-12-24概述n干扰信号出现时,系统应能抑制干扰的影响;n数据被干扰破坏时,系统应能及时发现并能纠正;n系统内部或外部出现异常情况时,应能及时给出报警信息;n当干扰导致程序脱离正常运行或进入死循环,应能及时发现并强制进入正常程序人口或进行系统复位。
2、2022-12-24概述n可靠性要求对计算机控制系统来说至关重要,而抗干扰技术是提高可靠性的一项关键技术,可以说没有采取抗干扰措施的控制系统是根本不能投入实际使用的。2022-12-2410.1 可靠性与抗干扰技术基本概念10.1.1 可靠性的概念2022-12-241.可靠性(Reliability)定义 n控制系统的可靠性通常是指在一定条件下,在规定时间段完成规定功能的能力。n一定的条件：包括环境条件(如温度、湿度、粉尘、气体、振动、电磁干扰等)工作条件(如电源电压、频率允许波动的范围、负载阻抗、允许连接的用户终端数等)操作和维护条件(如开机关机过程、正常操作步骤、维修时间和次数等)。20
3、22-12-24可靠性n规定的时间:是可靠性的重要特征,常以数学形式表示可靠性的基本参量,如可靠度、失效率、平均故障间隔时间(MTBF:Mean Time Between Failures)、平均维护时间(MTTR:Mean Time to Repair)等n规定的功能:是指控制系统能完成任务的各项性能指标。对于不同的系统,规定的功能是不同的,如对温度控制系统,规定的功能有温度控制范围、控制精度和过渡过程时间等。2022-12-24可靠性n影响系统完成规定功能的干扰因素有多种外部因素有温度、湿度、振动、电源的波动、电磁干扰、操作失误、维修时间超期等;内部因素有器件的偶发性失效、长时间使用后性能
4、老化以及经过试验未能发现的软件与硬件缺陷等 2022-12-242.错误(Error)和故障(Failure)n在干扰的作用下,系统会产生非正常工作状态,也称异常状态。n瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态,称之为错误,错误不经停机修理也可恢复到正常工作状态;n固定性的、功能部件其必要操作能消失的异常状态,称之为故障,故障只有通过修理才能恢复到正常状态。2022-12-24错误(Error)和故障(Failure)n错误的自动检测、纠正和指示,对控制系统来说非常重要。n为了消除错误对系统影响,可采用一些有效方法:增设抗干扰电路,消除来自电源、信号、空间的电磁干扰;通过附加冗余码实现自动检错、纠错
5、等n故障按其发生时期通常分为:早期故障耗损故障偶发故障 2022-12-24早期故障n由于元器件质量差,软件、硬件设计欠完善等原因所造成的,可通过系统试运行,更换质量不好的元器件、修改硬件电路、改正软件错误来排除早期故障。2022-12-24耗损故障 n由于元器件使用寿命已到所致。n如果已知元器件使用寿命的统计分布规律,那么,预先更换元器件,就可防止耗损故障的发生。另外,定期检查或更换关键元件和部件,也可防止耗损故障的发生。2022-12-24偶发故障 n随机的,通常发生于早期故障和耗损故障之间,在故障发生后,需进行应急维修。2022-12-24说明n由于故障的发生(特别是偶发故障的发生)既难
6、以预见又不可避免,为尽可能减少由于故障发生所造成的损失,尽快恢复系统正常工作,就需要采取故障恢复技术,如要使系统仍然继续运行,需要采取特殊措施,这也是可靠性技术应研究的课题。2022-12-24综上所述 2022-12-2410.1.3 电磁兼容性 2022-12-241.电磁兼容性的概念 n电 磁 兼 容 性(E l e c t r o m a g n e t i c Compatibility,EMC)是指在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存的程度。n国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
7、2022-12-24n研究电磁兼容的目的是为了保证电器设备或系统在电磁环境中具有正常工作的能力,以及掌握电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。2022-12-24电磁兼容实际有两方面的含义n一方面是设备或系统产生的电磁骚扰,不应对周围设备造成不能承受的干扰,也不应对周围环境造成不能承受的“污染”n一方面是设备或系统对来自周围环境中的电磁干扰,应具有足够的抗御能力 讨论n电磁辐射污染也已被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一n清洁电磁环境,保证电工、电子产品正常工作已受到世界范围的普遍关注。n解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始,并贯穿于整个产品或系统的生产全过程。n电
8、磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰机制的研究,从干扰源处限制电磁发射是治本的方法,切断电磁噪声的传播途径是提高抗干扰能力的重要手段。2.电磁兼容标准 nEC专门从事电磁兼容标准化工作的有两个技术委员会国际无线电干扰特别委员会(CISPR)第77技术委员会(TC77)我国的EMC测试及标准化n我国的EMC测试及标准化工作是20世纪60年代起步的。对应于CISPR成立了全国无线电干扰标准化技术委员会对应TC77成立了全国电磁兼容标准化联合工作组n以促进电磁兼容EMC研究和标准化工作。n随着EMC标准化工作的进行,其认证工作作为市场经济发展到一个比较成熟的阶段的产物,就如安全认证和环境保护的绿色认证一
9、样,EMC认证也将是产品的一个重要质量标志。我国EMC的国家标准见表3.常用名词说明 1)噪声与干扰(Noise&Interfering)n噪声是一种明显不传送信息的信号,它可与有用信号叠加或组合,并使有用信号发生畸变。n噪声会损害有用信号的接收,并可引起装置、设备或系统性能降低,甚至不能正常工作,具有危害性的噪声称干扰。n噪声与干扰有时也不严格区分,一般在讨论对有用信号影响程度时,多用噪声一词,而讨论危害作用时,多用干扰一词。2)电磁骚扰和电磁干扰(Electromagnetic disturbance&Electromagnetic interference)n电磁骚扰泛指对装置、设备、系
10、统或者有生命物体产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。n电磁干扰(简称EMI)是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。3)噪声源与受扰体(Noise source&Susceptor)n噪声源就是产生噪声的主体,也称干扰源如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源,其用数学描述的特征是(du/dt)或(di/dt)较大的地方都可能是干扰源。n受扰体就是受到干扰危害的装置、设备或系统,受扰体亦称受干扰对象或干扰对象,受扰体通常对噪声有较高敏感性(susceptibility)如A/D、D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等
11、,都可以是受扰体。4)耦合与耦合途径(Coupling&Coupling Paths)n耦合泛指系统间或一个系统的各部分之间相互作用而彼此发生关联的现象n此处主要指干扰源与受扰体之间通过电或磁产生联系的现象,它通常决定了受扰体受到干扰的方式。n耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时,电磁能量的传输介质,亦称耦合通道。耦合途径主要有传导、感应和辐射。5)传导与辐射(Conduction&Radiation)n传导是通过导线传播电磁能量的耦合方式,具体有电导耦合、电感耦合、电容耦合、公共阻抗耦合等。n辐射是通过自由空间传播电磁能量的耦合方式。6)系统间干扰和系统内干扰(Inter-system in
12、terference&Intra-system interference)n系统间干扰是指由其他系统对一个系统造成的电磁干扰。n系统内干扰是指系统中出现的由本系统内部电磁骚扰(Disturbance)引起的电磁干扰。7)内部抗扰性和外部抗扰性(Internal immunity&External immunity)n内部抗扰性是指装置、设备或系统在其输入或天线处存在电磁骚扰时能正常工作而性能没有降低的能力。n外部抗扰性是指装置、设备或系统在电磁骚扰经由除常规输入端或天线以外的途径侵入情况下,能正常工作而性能没有降低的能力。4.产生干扰的必要条件 EMC的4个要素如图10-1所示10.1.3 噪声的分类和耦合方式 1.噪声分类 1)按噪声产生的位置分类 3)按噪声传导模式分类 共模噪声4)按噪声波形分类 2.噪声的藕合方式 1)公共阻抗耦合 2)直接耦合 3)电容耦合 4)电磁感应耦合 5)漏电耦合 6)辐射耦合
