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上海精浦機電有限公司

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增量編碼器信号幹擾問題
2017-1-11
來源:未知
點擊數:  5020        作者:上海精浦機電有限公司
  • 伱有沒有碰到過幹擾問題呢?自動化控制中,幹擾這個問題經常會有人談起,各種排除幹擾的故事也有各式各樣的,有說用雙絞屏蔽電纜的,有說如何做好接地的,我聽過最誇張的故事是在接地的地樁上撒把鹽的,甚至再撒泡尿的。我因為經常在網上宣傳絕對值編碼器,也有網友碰到增量編碼器信号的幹擾問題也會找到我,好比說有一次一位遠在北京的網友,用了某“知名進口品牌”編碼器的和“知名進口品牌”接收卡的,怎麼也要為這個編碼器幹擾問題,前後煩惱了十來天還沒有解決掉,找到我講了很多他做過的抗幹擾措施,到最後我隻是問他,用的是什麼編碼器(型号與信号)後,給了他一個建議:扔了吧!換個重新選型的。幹擾問題首先就是編碼器的選型問題,别隻迷信是不是進口的,編碼器的選型正确才是第一步的,打鐵還要自身硬啊。


    一、屏蔽技術選擇全金屬無螺絲封閉外殼屏蔽的編碼器
    1.靜電屏蔽:靜電屏蔽就是用銅或鋁等導電性能良好的金屬為材料制作成封閉的金屬外殼,并與地線連接,把需要屏蔽的編碼器電路置于其中,使外部幹擾電場的電力場不影響其内部的電路。反過來,編碼器内部電路産生的電力線也無法外逸去影響外電路。靜電屏蔽不但能夠防止靜電幹擾,也一樣能防止交變電場的幹擾,所以許多儀器的外殼用導電材料制作并且接地。

    作為金屬屏蔽層的外殼,應全包裹屏蔽的,并盡量沒有帶有尖角部分和不同金屬材質的螺絲,金屬導體尖角因“尖端效應”而成為一個電場畸變的幹擾吸收天線。同樣的,不同材質的螺絲因為金屬特性的不同,一樣會有邊界的尖端效應而引入幹擾。編碼器外殼邊角圓滑并應用無螺絲的封裝技術,可保證金屬屏蔽層的最佳效果。


    2.低頻磁屏蔽:低頻磁屏蔽就是用來隔離低頻磁場和固定磁場耦合幹擾的有效措施。任何通過電流的導線或線圈周圍都存在磁場,客觀存在磁場,它們可能對檢測儀器的信号線或者儀器造成磁場耦合幹擾。為了防止磁場耦合幹擾,必須采用高導磁材料作屏蔽層,以便讓低頻幹擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽層上通過,使低頻磁屏蔽層内部的電路免受低頻磁場耦合幹擾的影響。例如,儀器的鐵皮外殼就起到低頻磁屏蔽的作用。若進一步将外殼接地,以同時起靜電屏蔽的作用。

    金屬鐵制的外殼,或者較大的編碼器金屬鋁制的外殼,可使得外部磁幹擾源遠離内部電源、傳感器及内部MCU,吸收外部磁場的變化能量,全金屬屏蔽層可吸收低頻磁振蕩産生的能量。減弱磁源磁場的幹擾。


    3.電磁屏蔽:電磁屏蔽也是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形,将被保護的電路包圍在其中。它屏蔽的幹擾對象不是電場,而是高頻(40KHz以上)磁場。幹擾源産生的高頻磁場遇到導電良好的電磁屏蔽層時,就在其外表面感應出同頻率的電渦流,從而消耗了高頻幹擾的能量,從而使電磁屏蔽層内部的電路免受高頻幹擾磁場的影響。


    4,減少信号傳輸的接線端子尖角線頭,盡量一根電纜線直接到接收端。信号傳輸中間的接收電纜線頭是一個暴露的幹擾吸收“天線”單元,尤其是線頭和金屬尖角,好像是伸出去的天線,這連接線纜時應盡量沒有暴露外翹的線頭,做圓滑性處理,在信号傳輸中應盡力避免線頭與尖角。


    二、增量編碼器的信号選擇,應選擇具有反相通道的輸出信号

    應選擇A+A-B+B-Z+Z-6通道信号輸出類型的增量編碼器,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的寬電源優點與極性、短路保護不易損壞,另一方面由于幹擾源對于編碼器正反相的信好的幹擾作用相當,幹擾在編碼器接收設備中可抵消,此類增量編碼器信号傳遞可達到無幹擾傳輸,傳遞也更遠(專用電纜200,依據電纜與現場情況),此類信号以歐系變頻器接口為主(例如ABB、西門子變頻器),在冶金、港口機械中應首先考慮使用。

     

    建議不要用NPN型輸出的編碼器,除非伱是個不怕事找事的抗幹擾的高手。理由我已經在另一篇關于NPN與PNP的文章裡講過了。

     

    三、信号電纜選擇,選擇專業的編碼器專用電纜雙絞屏蔽電纜

    不僅僅是編碼器内部的電路的保護,編碼器自帶的輸出信号的信号傳輸電纜,以及外接的加長信号電纜,都應選用編碼器信号專用的雙絞屏蔽電纜,并電纜屏蔽層有超細的高密度高導通性的金屬細線編織成保護層,可以吸收外部輻射的高頻電磁場變化,從而起到屏蔽保護的作用。

    舉例來說,無線電廣播的本質是電磁波,所以電磁屏蔽也能吸收掉它們的能量,這就是我們在汽車(鋼闆車身,但并未接地)裡收不到電台,而必須将收音機的天線拉出車外的原因。
    若将電磁屏蔽層接地,它可同時兼有靜電屏蔽作用,對電磁波的屏蔽效果就更好。通常作為傳輸線使用的銅質網狀屏蔽電纜接地時就能同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。

    電纜屏蔽層的接地,通常是在信号接收端的單端接地。


    注意,雙絞屏蔽電纜“雙絞”的作用,是作為信号配對的使用的,對于集電極開路的NPN和PNP的單極信号沒有雙絞的效果。對于A+與A-要雙絞配對,B+與B-雙絞配對,Z+與Z-雙絞配對。即使在接收端如果隻接A+,B+,雙絞線一樣要将配對信号傳輸到接收端,而不用接的信号絕緣懸空。


    四、選擇具有寬工作電壓與信号短路保護的編碼器

    很多幹擾來自于編碼器的供電電源----電源的波動,電源0V基準的破壞,這要求在發現現場有幹擾的情況下,現場的編碼器工作電源應獨立給編碼器供電,并輸出功率選擇有足夠大(編碼器标示功耗的2倍以上)。而選擇的編碼器也應具有寬工作電壓,例如9—30Vdc甚至5—30Vdc的工作電壓,這表明編碼器内部電路對工作電源的設計,已經考慮了輸入電源的降壓穩壓濾波,有較好的電源抗波動性幹擾。另外,要選擇編碼器信号對電源的短路保護(信号線對電源的正負極短接不燒),這也是編碼器設計中已對于信号對0V基準波動的有過濾或截斷設計。


    以上是講增量編碼器自身的選型和信号電纜的選型( 此類推薦的增量編碼器已在工控貓有售) ,而我開頭講的故事,就是從一開始的編碼器的選型就選錯了,那是一個不具備抗幹擾設計的NPN型編碼器,盡管其号稱是“知名進口品牌”的。

    五,接地技術
    接地是保證人身和設備安全、抗幹擾的一種方法。合理地選擇接地方式是抑制電容性耦合、電感性耦合及電阻耦合,減小或削弱幹擾的重要措施。

    編碼器信号傳輸至接收設備,在實際的工業現場,由于兩者相距離較長,信号傳輸線也較長,所以測量的數據會發生跳動、造成誤差變大。解決此類問題必須按接收端一點接地原則。所謂一點接地就是指在電路中如果采用多點接地的話,由于各接地點的電位不同就可能形成電路的幹擾信号,因此在電路中盡可能的做到在接收端一點接地,如果不能實現一點接地,則盡量将接地線加寬,以使各接地點的電位相近,以免形成信号幹擾源。

    我們對接地的檢查,都是基于靜态電阻的測量,但是在有電機、變頻器等交流動态設備環境下,已經不僅僅是靜态的電阻,而是包含了電磁場動态的電容電感變化,所以接地也要考慮有電容匹配的接地。或者增加接地面積增加電容濾波性。

    題外話:接地撒把鹽、撒泡尿有用嗎?也許有用。大地就是一個很大的電容,那種臨時性的撒鹽就是增加了對地接觸面積和導通,增加了電容濾波。文明的做法是加大入地的金屬闆面積和加粗接地線。

    不要看到屏蔽線\看到外殼就接地,如果伱對接地是否做好沒有把握(包括靜态電阻測量的等電位和交流動态下的瞬間等電位平衡),那我的建議是此地的大設備接地,小器件隔離懸浮----幹擾環境下拼體量的,小的拼不過大的。


    、隔離措施
    隔離是破壞幹擾途徑、切斷耦合通道,從而達到抑制幹擾的一種技術措施。

    編碼器工作電源如果選擇DC/DC隔離電源,主要使用在供電電源系統有很多同時在工作的其他器件,現場出現較為嚴重的幹擾。
    增量信号接收的光電耦合器隔離,應用于增量脈沖信号的接收單元電路中。目前,在自動檢測系統中越來越多的采用光電耦合器來提高系統的抗共模幹擾能力。
    光電耦合器是一種電光電耦合器件,它的輸入量是電流,輸出量也是電流,但是輸入、輸出之間從電氣上看卻是絕緣的。保證了輸入回路和輸出回路的電氣隔離。

    編碼器安裝的絕緣隔離:在有大型電機和變頻器的場合下,如果碰到有幹擾問題,那很有可能是遇見了電機外殼的“交流漏點”了。電動機本身同時也是個發電機,交變的勵磁電流和反電動勢都會對電機外殼可能産生電磁場影響。尤其是在啟動的瞬間,電機動力與“發電”的反電動勢是不平衡的,恰是這種不平衡力驅動了電機的加速運動,但是這種不平衡的電磁場也會作用到電機外殼,就有可能在電機外殼上産生瞬間的交流漏電,我們在檢查電機外殼的接地隻是靜态的量測電阻的,無法确定在電機啟動的瞬間能夠有很好的交流導通接地。在這種幹擾情況下,建議編碼器外殼(包括編碼器轉軸)要對電機外殼絕緣隔離。


    七、接收設備的帶寬頻率選擇

    接收設備的帶寬最高接收頻率的選擇,并不是越高越好,較高的可接收頻率的同時,表明其對于信号上升下降沿的響應敏感,這同時也對幹擾竄入較敏感了。應根據實際使用的最高信号頻率進行計算,選擇合适的最高接收頻率。在歐系有些接收設備中,已有對于接收最高頻率的可設置。


    八,改用絕對值編碼器

    絕對值編碼器的信号與曆史無關,任何幹擾過後可以重新讀取信号,而不受前次曆史事件影響(幹擾),另外,絕對值編碼器可用軟濾波技術,在有些絕對值編碼器的信号形式中已加入了和校驗、異或校驗和CRC校驗,例如絕對值編碼器數字總線式輸出模式中都已經加入了校驗碼。通過校驗碼對比去除傳輸中幹擾引起的個别數位上的突變數據。因為絕對值編碼器的每次讀取數據是獨立性的,與前次曆史無關,因此可以将突變的通過對比判斷是不合理的數據通過軟濾波技術剔除。

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