上海精浦机电有限公司

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增量编码器信号干扰问题
2017-1-11
来源:未知
点击数:  1444        作者:上海精浦机电有限公司
  • 你有没有碰到过干扰问题呢?自动化控制中,干扰这个问题经常会有人谈起,各种排除干扰的故事也有各式各样的,有说用双绞屏蔽电缆的,有说如何做好接地的,我听过最夸张的故事是在接地的地桩上撒把盐的,甚至再撒泡尿的。我因为经常在网上宣传绝对值编码器,也有网友碰到增量编码器信号的干扰问题也会找到我,好比说有一次一位远在北京的网友,用了某“知名进口品牌”编码器的和“知名进口品牌”接收卡的,怎么也要为这个编码器干扰问题,前后烦恼了十来天还没有解决掉,找到我讲了很多他做过的抗干扰措施,到最后我只是问他,用的是什么编码器(型号与信号)后,给了他一个建议:扔了吧!换个重新选型的。干扰问题首先就是编码器的选型问题,别只迷信是不是进口的,编码器的选型正确才是第一步的,打铁还要自身硬啊。


    一、屏蔽技术选择全金属无螺丝封闭外壳屏蔽的编码器
    1.静电屏蔽:静电屏蔽就是用铜或铝等导电性能良好的金属为材料制作成封闭的金属外壳,并与地线连接,把需要屏蔽的编码器电路置于其中,使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路。反过来,编码器内部电路产生的电力线也无法外逸去影响外电路。静电屏蔽不但能够防止静电干扰,也一样能防止交变电场的干扰,所以许多仪器的外壳用导电材料制作并且接地。

    作为金属屏蔽层的外壳,应全包裹屏蔽的,并尽量没有带有尖角部分和不同金属材质的螺丝,金属导体尖角因“尖端效应”而成为一个电场畸变的干扰吸收天线。同样的,不同材质的螺丝因为金属特性的不同,一样会有边界的尖端效应而引入干扰。编码器外壳边角圆滑并应用无螺丝的封装技术,可保证金属屏蔽层的最佳效果。


    2.低频磁屏蔽:低频磁屏蔽就是用来隔离低频磁场和固定磁场耦合干扰的有效措施。任何通过电流的导线或线圈周围都存在磁场,客观存在磁场,它们可能对检测仪器的信号线或者仪器造成磁场耦合干扰。为了防止磁场耦合干扰,必须采用高导磁材料作屏蔽层,以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过,使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。例如,仪器的铁皮外壳就起到低频磁屏蔽的作用。若进一步将外壳接地,以同时起静电屏蔽的作用。

    金属铁制的外壳,或者较大的编码器金属铝制的外壳,可使得外部磁干扰源远离内部电源、传感器及内部MCU,吸收外部磁场的变化能量,全金属屏蔽层可吸收低频磁振荡产生的能量。减弱磁源磁场的干扰。


    3.电磁屏蔽:电磁屏蔽也是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形,将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象不是电场,而是高频(40KHz以上)磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时,就在其外表面感应出同频率的电涡流,从而消耗了高频干扰的能量,从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。


    4,减少信号传输的接线端子尖角线头,尽量一根电缆线直接到接收端。信号传输中间的接收电缆线头是一个暴露的干扰吸收“天线”单元,尤其是线头和金属尖角,好像是伸出去的天线,这连接线缆时应尽量没有暴露外翘的线头,做圆滑性处理,在信号传输中应尽力避免线头与尖角。


    二、增量编码器的信号选择,应选择具有反相通道的输出信号

    应选择A+A-B+B-Z+Z-6通道信号输出类型的增量编码器,其中,推挽式含反相信号6通道HTL-G6A/A-,B/B-,Z/Z-),一方面其930V的宽电源优点与极性、短路保护不易损坏,另一方面由于干扰源对于编码器正反相的信好的干扰作用相当,干扰在编码器接收设备中可抵消,此类增量编码器信号传递可达到无干扰传输,传递也更远(专用电缆200,依据电缆与现场情况),此类信号以欧系变频器接口为主(例如ABB、西门子变频器),在冶金、港口机械中应首先考虑使用。

     

    建议不要用NPN型输出的编码器,除非你是个不怕事找事的抗干扰的高手。理由我已经在另一篇关于NPN与PNP的文章里讲过了。

     

    三、信号电缆选择,选择专业的编码器专用电缆双绞屏蔽电缆

    不仅仅是编码器内部的电路的保护,编码器自带的输出信号的信号传输电缆,以及外接的加长信号电缆,都应选用编码器信号专用的双绞屏蔽电缆,并电缆屏蔽层有超细的高密度高导通性的金属细线编织成保护层,可以吸收外部辐射的高频电磁场变化,从而起到屏蔽保护的作用。

    举例来说,无线电广播的本质是电磁波,所以电磁屏蔽也能吸收掉它们的能量,这就是我们在汽车(钢板车身,但并未接地)里收不到电台,而必须将收音机的天线拉出车外的原因。
    若将电磁屏蔽层接地,它可同时兼有静电屏蔽作用,对电磁波的屏蔽效果就更好。通常作为传输线使用的铜质网状屏蔽电缆接地时就能同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。

    电缆屏蔽层的接地,通常是在信号接收端的单端接地。


    注意,双绞屏蔽电缆“双绞”的作用,是作为信号配对的使用的,对于集电极开路的NPN和PNP的单极信号没有双绞的效果。对于A+与A-要双绞配对,B+与B-双绞配对,Z+与Z-双绞配对。即使在接收端如果只接A+,B+,双绞线一样要将配对信号传输到接收端,而不用接的信号绝缘悬空。


    四、选择具有宽工作电压与信号短路保护的编码器

    很多干扰来自于编码器的供电电源----电源的波动,电源0V基准的破坏,这要求在发现现场有干扰的情况下,现场的编码器工作电源应独立给编码器供电,并输出功率选择有足够大(编码器标示功耗的2倍以上)。而选择的编码器也应具有宽工作电压,例如9—30Vdc甚至5—30Vdc的工作电压,这表明编码器内部电路对工作电源的设计,已经考虑了输入电源的降压稳压滤波,有较好的电源抗波动性干扰。另外,要选择编码器信号对电源的短路保护(信号线对电源的正负极短接不烧),这也是编码器设计中已对于信号对0V基准波动的有过滤或截断设计。


    以上是讲增量编码器自身的选型和信号电缆的选型( 此类推荐的增量编码器已在工控猫有售) ,而我开头讲的故事,就是从一开始的编码器的选型就选错了,那是一个不具备抗干扰设计的NPN型编码器,尽管其号称是“知名进口品牌”的。

    五,接地技术
    接地是保证人身和设备安全、抗干扰的一种方法。合理地选择接地方式是抑制电容性耦合、电感性耦合及电阻耦合,减小或削弱干扰的重要措施。

    编码器信号传输至接收设备,在实际的工业现场,由于两者相距离较长,信号传输线也较长,所以测量的数据会发生跳动、造成误差变大。解决此类问题必须按接收端一点接地原则。所谓一点接地就是指在电路中如果采用多点接地的话,由于各接地点的电位不同就可能形成电路的干扰信号,因此在电路中尽可能的做到在接收端一点接地,如果不能实现一点接地,则尽量将接地线加宽,以使各接地点的电位相近,以免形成信号干扰源。

    我们对接地的检查,都是基于静态电阻的测量,但是在有电机、变频器等交流动态设备环境下,已经不仅仅是静态的电阻,而是包含了电磁场动态的电容电感变化,所以接地也要考虑有电容匹配的接地。或者增加接地面积增加电容滤波性。

    题外话:接地撒把盐、撒泡尿有用吗?也许有用。大地就是一个很大的电容,那种临时性的撒盐就是增加了对地接触面积和导通,增加了电容滤波。文明的做法是加大入地的金属板面积和加粗接地线。

    不要看到屏蔽线\看到外壳就接地,如果你对接地是否做好没有把握(包括静态电阻测量的等电位和交流动态下的瞬间等电位平衡),那我的建议是此地的大设备接地,小器件隔离悬浮----干扰环境下拼体量的,小的拼不过大的。


    、隔离措施
    隔离是破坏干扰途径、切断耦合通道,从而达到抑制干扰的一种技术措施。

    编码器工作电源如果选择DC/DC隔离电源,主要使用在供电电源系统有很多同时在工作的其他器件,现场出现较为严重的干扰。
    增量信号接收的光电耦合器隔离应用于增量脉冲信号的接收单元电路中。目前,在自动检测系统中越来越多的采用光电耦合器来提高系统的抗共模干扰能力。
    光电耦合器是一种电光电耦合器件,它的输入量是电流,输出量也是电流,但是输入、输出之间从电气上看却是绝缘的。保证了输入回路和输出回路的电气隔离。

    编码器安装的绝缘隔离:在有大型电机和变频器的场合下,如果碰到有干扰问题,那很有可能是遇见了电机外壳的“交流漏点”了。电动机本身同时也是个发电机,交变的励磁电流和反电动势都会对电机外壳可能产生电磁场影响。尤其是在启动的瞬间,电机动力与“发电”的反电动势是不平衡的,恰是这种不平衡力驱动了电机的加速运动,但是这种不平衡的电磁场也会作用到电机外壳,就有可能在电机外壳上产生瞬间的交流漏电,我们在检查电机外壳的接地只是静态的量测电阻的,无法确定在电机启动的瞬间能够有很好的交流导通接地。在这种干扰情况下,建议编码器外壳(包括编码器转轴)要对电机外壳绝缘隔离。


    七、接收设备的带宽频率选择

    接收设备的带宽最高接收频率的选择,并不是越高越好,较高的可接收频率的同时,表明其对于信号上升下降沿的响应敏感,这同时也对干扰窜入较敏感了。应根据实际使用的最高信号频率进行计算,选择合适的最高接收频率。在欧系有些接收设备中,已有对于接收最高频率的可设置。


    八,改用绝对值编码器

    绝对值编码器的信号与历史无关,任何干扰过后可以重新读取信号,而不受前次历史事件影响(干扰),另外,绝对值编码器可用软滤波技术,在有些绝对值编码器的信号形式中已加入了和校验、异或校验和CRC校验,例如绝对值编码器数字总线式输出模式中都已经加入了校验码。通过校验码对比去除传输中干扰引起的个别数位上的突变数据。因为绝对值编码器的每次读取数据是独立性的,与前次历史无关,因此可以将突变的通过对比判断是不合理的数据通过软滤波技术剔除。

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