伺服系统抗干扰设计研究

文章建立了直流伺服系统干扰因素模型，依据模型系统地概括了伺服系统干扰产生的原因及传输途径，并提出了抗干扰的具体措施，通过分析得出了直流伺服系统抗干扰设计的方法，以供直流伺服系统设计研究者参考。

航天测量船广泛运用电子设备，在周围空间产生了的较为复杂的电磁场。这些电磁场恶化了其他同类设备的工作条件，降低了使用效率，对其他同类设备形成了干扰。

在伺服系统中，由于干扰的影响，轻则使控制精度下降，重则使天线失控。因此，要设计、制造一个高精度、高稳定性的天线伺服系统，除了正确的设计及精密加工外，还必须使控制系统具有足够的抑制干扰的能力。有效的抗干扰措施必须针对具体问题综合采用各种有效方法，才能收到良好的效果，否则，如果盲目使用抑制技术，不仅不会收到明显的效果，甚至造成相反的效果。

在伺服系统研制和设计过程中，如果事先缺乏对抗干扰问题的系统考虑和设计，就可能使系统在使用过程中发生零部件、组件之间的互相干扰，直接影响到系统的可靠性、稳定性和品质指标，进而发生设备故障。即使一时排除了这些故障，还可能因缺乏系统的抗干扰设计，而不断产生相互干扰。为了消除这些干扰，有时不得不对系统或零部件、组件进行大改造从而付出昂贵的代价。

本文主要对直流伺服系统中干扰源及传输媒介进行了总结，并对抑制干扰的方法及硬件电路设计过程中的抑制干扰的方案进行了探讨。

一、伺服系统主要干扰因素模型建立与分析

现代伺服设备技术先进、功能强大、涉及面广、结构复杂，且灵敏度较、高。因此，整机与整机之间、分机与分机之间容易产生干扰。它们之间往往也互为干扰源。

在伺服系统中，形成电磁干扰必须具备三个基本条件：(1)存在干扰源；(2)对干扰源的电磁能敏感的接收单元，即感受器；(3)有耦合通道，也就是把能量从干扰源耦合到敏感接收器上，并使系统性能明显恶化的媒质。

电磁干扰的基本模型就是这三个基本条件的串联，如下图所示：

下文将以上述模型为基础对伺服系统电磁干扰的三个基本条件展开分析并提出抗干扰措施。

二、伺服系统主要干扰源分析

伺服控制系统的干扰源总体上可分为外部干扰和内部干扰两个部分，自然干扰属于外部干扰，伺服控制系统内部各零部件或组件之间的干扰称为内部干扰。随着数字化技术的发展及其在天线伺服系统的应用，使天线伺服系统又增加了新的干扰源，主要有以下几个：

(一)强电干扰

强电干扰主要来自系统内部的强电元器件与设备，如驱动电机等，在通断电过程中产生瞬时过电压和冲击电流，这些电气设备都会造成单脉冲形成或脉冲串形成的电磁干扰。它不仅影响伺服系统的驱动电路，还会通过电源进入电子线路造成干扰，还可能经过布线电容、电感干扰其它的线路。强电装置的干扰示意图如图2所示，图中A为强电装置，B为电子控制线路，C为布线电容。

(二)供电电源干扰

在伺服系统中，开关电源是一个很强的干扰源，开关电源在工作时，一般采用脉冲宽度调制(PwM)技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高。由于开关器件功率(开关管和高频整流二极管)工作在高频通断状态，高频快速瞬变过程本身就是移动电磁干扰(EMI)源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。这些电磁能量通过辐射和传导，就会影响其他设备或系统的正常工作。在开关电源中，除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。脉冲变压器的初始电源电路和次级电源电路可以当作因电流剧烈变化而产生的瞬变过程所引起的脉冲干扰源，使供电电源本身能够引起相当高的干扰电平，干扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。

(三)磁场耦合干扰

天线功率放大器中的PWM转换电路在开关切换过程中，大脉冲电流引起磁干扰或电磁干扰流过幅值大而且快速变化的电路回路，与大地构成环路产生的磁场耦合形成的干扰。这种干扰是一种比较严重并且难以消除的干扰。

(四)辐射干扰

伺服控制系统中直流电机电枢绕组电流改变方向时，形成磁场的急剧变化，并且产生高频辐射，通过导线引入控制线路，通过电动机轴辐射干扰测速发电机的正常工作。另外，在雷达中，由于高频的连接问题，伺服驱动电机距高频发射源很近，这样发射机的微波辐射，会影响到伺服控制系统元器件的正常工作，降底了控制精度和稳定性，甚至使控制失灵。

三、干扰传输途径

干扰信号可以通过多种途径从干扰源耦合到感受器上。按照干扰源与干扰感受器的耦合机理，干扰传输途径可分为三类：

(一)辐射干扰

这类干扰是作用在与干扰源没有直接电气连接的感受器上的电磁干扰。实际上，辐射干扰即是以辐射电磁场形式存在的干扰。所有的元器件和导线，当电荷运行时都会产生辐射电磁场，电磁场又分为近场和远场。远场干扰方式以电磁辐射形式为主，近场干扰分为电容性干扰和电感性干扰。其中电容性干扰，是指系统内部元器件和元器件之间、导线与导线之间、导线与元器件之间、元器件和系统结构之间，由于存在分布电容使某一电路对另一电路形成交链；电感性干扰是指导体中电流流动时产生磁通，通过互感被相邻的导线或电路耦合而产生了感应电压，这种干扰主要通过变压器耦合或并行导线间的耦合产生，而并行导线的耦合最为严重。

(二)传导干扰

传导干扰是在电气连接时才对感受器产生影响。电磁能通过电源线、信号输入或输出线路和控制线路等传递。导线或导体是传递干扰的重要途径，这种干扰作用主要是由于电磁振荡在电源电路、控制电路和转换电路中传播引起的。

(三)公共阻抗干扰

在伺服控制系统中，指令信号与反馈信号比较后，再经过电压、电流、功率放大器放大后控制伺服电机，即在信号传递过程中需要一个公共基准点即电位参考点，这就形成了公共阻抗，流进公共阻抗的电流便将干扰耦合到其他电路上去。不良的接地方式是引起公共阻抗的主要原因。

在实际伺服控制系统中，以上几种干扰传递方式时常是共存的。所以进行干扰抑制与抗干扰设计时，要统一考虑和处理。

(四)干扰感受器

在伺服控制系统中，任何一个电子元器件都有可能成为被干扰的感受器，感受器接受干扰必须同时具备两个基本条件：(1)干扰源的信号电平超过了感受器的容许范围；(2)干扰源的信号频率可以被感受器响应。

如果电子元器件接受干扰的这两个条件都具备了，则该电子元器件就会受到干扰源的干扰。同时也可以根据以上两点，设法抑制干扰源对电子元器件产生干扰，即破坏这两个基本条件的其中一个或全部。五、伺服系统抗干扰设计的一般方法

抗干扰设计历来是复杂的技术问题，在伺服控制系统中，为实现对干扰的抑制，采取常用的抗干扰措施，主要有两

类：一类是在设备和系统设计时注意选用相互干扰作用最小的元器件、零部件和电路，在结构上注意合理布局，保证元器件、零部件等级上的兼容性；另一类是采用接地、屏蔽、滤波等技术，降低产生的干扰电平，增加干扰在传播中的衰减。

如本文前述，电磁干扰的三个基本要素是干扰源、传输途径和感受器，抗干扰设计的基本方法就是破坏这个三基本要素的任意一个或全部，主要从以下几个方面进行：

(一)接地抑制

接地是指电路、单元与信号电位公共参考点的接地点实行低阻抗联接。正确的接地，既能抑制干扰的影响，也能够抑制设备对外产生干扰。接地的目的是消除各支路电流流经公共地线时产生的噪声电压，避免受磁场和地电位差的影响，不使其形成环路。

在处理具体系统接地时，可以按照以下原则来进行：

1.单点接地与多点接地。

单点接地是指整个电路系统中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其它各接地点都直接接至此点。在低频电路中，一般应采用单点接地。多点接地是指系统中各接地点都直接接到距它最近的接地平面。由于多点接地系统中存在着各种地线回路，对于低频系统会产生不良的影响，所以只有在高频电路中多采用多点接地。伺服控制系统具有低通特性，一般不采用多点接地方式。

单点接地又可以分为串联式单点接地和并联式单点接地，其接地如图3所示：

图4中，R₁、R₂、R₃分别为相应各极地线的等效电阻I₁、I₂、I₃则为从系统部件A₁、A₂、A₃流入接地点的电流。

对于串联式单点接地各部件接地端电位分别为：

在图3中A、B、C三点电位不为零，相差较大并且相互影响。对A点而言，部件A₂、A₃通过R₁形成干扰信号，并通过A点送入部件A₁而形成级间耦合。当这种耦合为正反馈时，有可能使电路产生自激振荡。所以，从抑制干扰的角度讲，串联式单点接地是性能最差的接地方式。

对于并联单点接地，则有：

各电路间接地电流互不干扰，故各接地点的电位也不受其他接地点电位的影响，对于同样的电路部件和同等的地线阻抗来说，并联接地时各部件的接地点更接近于地电位，且各电路部件之间的信号地电流不会形成耦合。所以，并联式单点接地是低频电路的最佳接地方式，也是伺服系统采用的接地方式。

2.数字地与模拟地。

在伺服控制系统中，数字地和模拟地要避免有共同回路。A／D、D／A转换器以及采样保持芯片在设计时都要提供独立的模拟地和数字地。所有模拟地和数字地都分别相连，模拟地和数字地只有一个公共点相连，不可多点共地，而且公共点要靠近信号源。正确的联接方法如图5所示：

3.屏蔽体接地与搭接。

为了减小电路之间不需要的耦合，天线伺服系统中往往设置许多屏蔽体，这些屏蔽地都应用短、粗、直的接地线做良好接地。需要接地的屏蔽体有以下几种：

(1)用于减小电容耦合的屏蔽体，如果不接地，反而使耦合增大，从而带来更大的干扰；如果接地不良，则屏蔽效果降低。

(2)用于减小电感耦合的屏蔽体上有感应电流产生，良好的接地才能保证这个感应电流顺利的流过地面，使耦合减小。

(3)由高导磁率材料做成的磁场屏蔽，尽管它可以不接地，但为了兼顾屏蔽的要求，还是接地以减小电容耦合。

(4)用来减小辐射耦合的屏蔽体，只要形成一个封闭体就可以了，但是为了兼顾电屏蔽的要求，也需要良好的接地。

搭接是指在两个金属表面建立低阻抗通路。目的是为电流的流动安排一个电气上连续的结构面，以避免在相互连接的两金属之间形成电位差，从而会产生电磁干扰。在伺服控制系统中中，各个模块的外壳之间、外壳到接地平面、信号回路和地线之间、电缆屏蔽与地之间，都要进行搭接。可以采用搭接条(片)或粗的金属线缆来搭接。

(二)屏蔽与隔离

屏蔽是利用金属板、金属网或金属盒将电磁场限制在一定的空间，或将电磁场强度降低到一定的数量级的措施，屏蔽是抑制电磁干扰的重要手段之一。在伺服控制系统中，功放模块、角度编码器、天线控制单元等干扰源或感受器都采用了合金材料制成的金属盒单独封装。

通过屏蔽与隔离一方面防止了控制系统内部产生的磁场对外部设备造成影响；另一方面也屏蔽了外部磁场，防止控制系统内部受到外部磁场的影响。隔离是消除地环路引起的公共阻抗耦合干扰的有效措施。一般的隔离方法是采用隔离变压器、隔离放大器和光电耦合器等。其中光电耦合器具有单方向传递信号、寄生反馈极小、传输信号的频带宽、抗干扰能力强等优点，且不容易受周围电磁场影响、体积小、重量轻、成本低、耐冲击、耐振动、绝缘电压高等特点，故得到广泛的应用。伺服控制系统电路中可以应用这些方法实现隔离。

(三)滤波

伺服控制系统的零部件或控制部件在采用了屏蔽等措施后，还不能保证电路中不存在干扰信号。因此，进行系统设计时，都要加入相应的滤波电路，来尽可能地抑制或滤除混入电路中的干扰信号，使干扰对控制电路的影响降到最低。

对于干扰源实施滤波，是为了预防电磁干扰沿着连接线传播到与之相连的外部设备上去。对敏感设备实施干扰则可消除外部设备传到该敏感设备的干扰。

在天线伺服控制系统中需要实施滤波的情况有以下几种：

1.直流供电电源的去耦滤波。伺服系统的所有电路不可能都配有独立电源，但共用电源必定会引入干扰，因此必须加入滤波电路。通常的抑制干扰的方法是在供电电路中接入去耦滤波电路。一般的去耦电路可以由电阻和电容构成。电源的去耦滤波电路，如图6所示：

2.各种信号电路中，为了消除频谱成份不同于有用信号的干扰信号，也需要引入滤波电路。通常这些滤波电路要具有低通特性，可以采用RC无源滤波电路，也可以采用有源滤波电路，可根据实际情况选择。

3.对于系统中的操纵电路、控制电路以及转换电路，为了消除对这些电路的干扰，通常也要加入滤波电路。

六、结语

本文主要研究了伺服控制系统抗干扰设计的一般方法。文中首先建立了干扰的基本模型及模型构成三个基本因素。针对干扰的基本因素，逐个进行分析，介绍了伺服控制系统中的主要的干扰源及其干扰作用，以及干扰源与控制系统之间的耦合方式。着重介绍了辐射干扰、传导阻抗干扰和公共阻抗干扰三种传输途径，并详细介绍了它们的干扰机理。

伺服控制系统的干扰抑制，采用了一般电气系统的干扰抑制方法，本文从接地、屏蔽隔离与滤波等方面，详细提出了抑制干扰的不同方法和途径。

责任编辑：刘晶

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