逆变电焊机电磁兼容性设计的研究

摘要：电磁兼容性是机电设备设计中必须考虑的问题，针对目前电焊机系统存在的电磁兼容性问题，系统分析了焊机系统可能存在的各种电磁干扰，并在软硬件设计过程中采用了相应的技术。

在硬件设计中主要讨论微控制系统、电源及电路板；在软件设计中主要讨论了软件冗余技术、软件陷阱技术、数字滤波和“看门狗”技术等。

实验证明，这些设计有效地解决了焊机控制系统的电磁兼容性问题，具有一定的实际应用价值。

关键词：电磁兼容性；焊机；微控制器；软硬件中图分类号：TG434，TN03文献标识码：A 文章编号：1001-2303穴2009雪12-0047-04电磁波，电场和磁场相互垂直，也垂直于电磁波的传播方向。

电路板上的高速数字芯片和芯片之间的连线都是电磁辐射的主要来源。

高速时钟、高频信号、信号线的传输以及接地不良等，都是构成高辐射电平和电磁敏感度超标的因素。

电路板的辐射来自差模信号和共模信号。

差模辐射是来源于板上的回路，通常是电流回路，电流从驱动器流过板上的连线到达接收器熏再从地线通路返回，这种通路就形成一个辐射电磁能量的回路天线。

这一回路由回路电流生成的磁场支配，其辐射能量与回路电流、回路面积和辐射频率的平方成正比。

缩小回路面积和回路中信号的谐波含量，就可以降低辐射电平。

系统中偶然的电压降通常发生在电路板的地线上，会造成共模辐射电流。

当电缆与电路板相连时，共模电流也流过电缆。

共模电流在信号和接地导体上都以同样的方向流动，形成一个单极的辐射天线，其辐射能量与电流、电流通路的长度和辐射频率成正比。

由于单极天线是一个高阻抗源，因此电场便主导电磁辐射。

设计接地系统时，断点越少越有助于减少共模辐射，在电路板和连接电缆两个方面尽量缩短接地通路，就能减弱这种辐射源眼2演。

1.2控制系统的电磁兼容性设计在设计符合EMC 技术条件的硬件电路时，应先考虑所设计的硬件电路和电路板会产生多少电磁辐射，以及设计方案所产生的能量是在哪一频率范围之内；其次要考虑设计电路对自身所产生电磁辐射以及其他来源电磁辐射的敏感性，下面从理论上分析微控制器系统的电磁兼容性设计。

穴1雪噪声源。

微控制器系统的主要干扰来源是静电放电、电源干扰、瞬变的高电压或大电流等；而来自微控制器自身的主要噪声源有：振荡器、系统时钟电路、输出数据的传输通道、数据/地址总线。

穴2雪干扰的传播。

电磁干扰可以由电磁波辐射、电磁导体以及感性或容性器件耦合传输引起。

显然，电磁波必须到达导体才能干扰部件。

这就意味着环状的、较长的和面积较大的信号线更容易被干扰，这也是印制电路板EMC 改进的主要目标。

穴3雪干扰的影响。

在基于微控制器的系统里，核心数据的处理过程本质上是有序的，而且必须依赖于有效的操作数据。

无EMC 监控的程序在被干扰的时间段是不能恢复正常操作的。

由电磁兼容性的观点来看，易被干扰的部分主要有：系统时钟；存储器单元，不仅仅是存储器模块，还有寄存器和支持处理器机器状态的存储器单元；复位、中断以及联络选通信号。

穴4雪电磁兼容性设计。

在系统设计中，采用浙江立德产品技术有限公司的测试设备穴EMI 接收机雪对系统进行测试截取的两个典型图形如图1和图2所示。

图1数字地不接物理地下列方法可以改善EMC ：a.电源对单片机的影响。

单片机对电源噪声很敏感，解决的方法是在电源线上使用滤波器。

电源线滤波器是一种低通高阻滤波器，能够衰减高频电磁能量，而对工频电流没有衰减。

本系统选用高频插入损耗较大的产品，这样可以避免由于电源线上有较强的传导干扰而引起的辐射干扰。

b.在单片机I /O 口及电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，本系统使用铁氧体抑制材料，可显著提高电路的抗干扰性能。

它的作用相当于低通滤波器，当干扰信号通过绕在抑制铁氧体上的导线时，会产生较大的衰减，利用这一特性达到抑制的目的。

c.时钟电路的布线，晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳固定接地，能有效地降低噪声的传播。

讨论︱︱弧焊设备EMC 及焊接环境EMF专题讨论第39卷图2数字地接物理地d.单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。

大功率器件尽可能放在电路板边缘。

e.隔离与屏蔽。

隔离与屏蔽是抑制干扰耦合的有效措施，隔离包括空间隔离与电位隔离。

隔离的典型方法是将电信号转变成其他物理量，如光电隔离、隔离变压器等。

高频大功率的信号线、高噪声元件、易干扰器件要加屏蔽。

1.3电源的电磁兼容性设计在微控制系统中，危害最严重的干扰来自电源噪声，电源干扰主要是由于过/欠电压或尖峰电压而引起的。

过/欠电压会使系统的直流供电电压偏离允许范围，而处于非正常工作状态。

对于尖峰电压，由于其持续时间很短，一般不会损坏系统，但它对控制系统的正常运行破坏很大，会使逻辑功能紊乱，甚至破坏源程序。

本系统设计的电源具有过电压封锁保护、欠电压保护、过热保护和过电流保护等功能，可以有效改善EMC 。

当然也可以采用具有噪声抑制能力的交流电源调节器和稳压器。

1.4电磁兼容的印制电路板设计由于PCB 板上的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，信号的频率越来越高，所以对电子产品的电磁兼容性分析就显得特别重要。

在PCB 设计中，EMC /EMI 主要分析布线网络本身的信号完整性，实际布线网络可能产生的电磁辐射和电磁干扰以及电路板本身抵抗外部电磁干扰的能力，并且依据设计者的要求提出布局和布线时抑制电磁辐射和干扰的规则，以此作为整个设计过程的指导原则。

根据设计需要，本系统PCB 选用多层板，其中的一层指定全部做地线，另有一层指定全部做电源，这种选择能形成良好的退耦电路，并加入了地线屏蔽效果。

本系统在设计PCB 时，采用下列方法：穴1雪将数字电路和模拟电路部分分开。

穴2雪尽量加粗接地线，并将接地线构成闭环路。

可以缩小电位差值，提高电子设备的抗干扰能力。

穴3雪电路板所有的空余面积应该用附加的地线填满，以便产生电磁屏蔽的效果。

穴4雪合理布置印制电路板上的器件，遵循器件之间电气干扰小和易于散热的原则。

穴5雪合理划分电路板，模拟电路区、数字电路区和功率驱动区等要尽量分开，地线不能相混，要分别和电源端的地线相连。

穴6雪布线时尽量不要构成环路，特别要避免沿印制电路板周围构成环路，不能出现长段的窄线并行，旁路电容的引线不能太长；单元电路的输入和输出应当用地线隔开；电源线和地线的走向尽量与数据的传输方向一致，并加宽宽度以提高电路板的抗干扰能力。

穴7雪每个IC 都要加去耦电容，并靠近IC 的电源脚和接地脚。

穴8雪保持时钟线最短。

在设计的硬件电路中，采用控制电路与驱动电路分开制板的原则，以降低控制电路与功率放大电路之间的电气干扰。

通过以上有针对性的电磁兼容性设计，逆变焊机的电磁兼容性将得到有效改善。

2基于电磁兼容性的软件系统设计为了提高控制系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是远远不够的，还需要采用适当的软件抗干扰措施。

微测控系统中，对软件方面的基本要求有：可维护性、可理解性、实时性、准确性和可靠性。

其中可靠性设计是最重要的，要求两方面的内容：一方面是运行参数环境发生变化时穴如电压在规定范围内讨论︱︱弧焊设备EMC 及焊接环境EMFPDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建w 出现较大波动雪，软件能可靠运行并得出正确的结果，也就是软件的自适应性；另一方面是在工作环境恶劣、干扰环境复杂的情况下，软件必须保证可靠运行，这对测控软件尤为重要。

为了保证以上两方面的要求，就必须使用多种抗干扰技术。

软件抗干扰技术是当系统受干扰后，使系统恢复正常运行，或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。

此技术属于一种被动抗干扰措施，但是由于软件抗干扰设计灵活，节省硬件资源，操作起来简单方便，所以软件抗干扰技术越来越受到重视眼3-7演。

本系统软件抗干扰设计包括以下三个方面：穴1雪采取软件方法对叠加在模拟输入信号上的噪声进行抑制，以读取有用的信息，如数字滤波器。

穴2雪在程序受到干扰“跑飞”的情况下，采取措施使程序回到正常轨道，常见的抗干扰技术有：软件拦截技术穴软件陷阱等雪、输入口信号重复检测方法、输出口数据刷新、数字滤波等。

穴3雪程序具有自检功能。

2.1数据采集抗干扰措施对于实时的数据采集系统，采用数字滤波的方法来抗干扰。

数字滤波的方法主要有：程序判断滤波、中值滤波、算术平均值滤波法、加权平均滤波、一阶滞后滤波、复合滤波等。

数字滤波具有以下优点押穴1雪数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可靠性高，稳定性好。

穴2雪可以对频率很低的信号滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。

穴3雪可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

结合本系统的特点，采用了算术平均值滤波法，对某一电流穴电压雪采样多次穴16次雪，计算其平均值，作为该点的采样结果。

2.2程序运行状态抗干扰控制系统受到干扰后，会导致PC 值的改变熏造成程序运行异常。

常用的抗干扰方法有：穴1雪设置监视程序运行的定时器-看门狗穴WDT雪，防止程序“乱跑”。

所谓的看门狗就是一个定时周期恒定的定时器，在程序正常运行过程中，及时对看门狗定时器进行清除，因此WDT 不会发生溢出。

如果程序一旦跑飞，WDT 将会产生溢出中断，系统复位，从而有效防止程序进入死循环。

穴2雪在程序设计中，在对程序走向有重要作用的指令穴RET 等雪之前加入空指令，当失控的程序遇到该指令后得到调整，使接下来的程序得以正常执行，可以起到较好的抗干扰效果。

穴3雪在程序设计中设置软件陷阱，强迫系统返回初始状态。

所谓的软件陷阱就是一条转移指令，强行将捕获的程序引向对程序出错进行处理的程序。

具体的方法是：对于未使用的中断源因干扰而开放，从而直接影响软件的正常工作的中断源，采用的方法一般是在对应的中断服务地址入口处设置软件陷阱，使其跳转到程序入口；未使用的EPROM 空间，可填充“FF ”，当“跑飞”的程序指针跳至无程序处，可以将其重新指向主程序入口，可以起到防“跑飞”的功能；输入口信号重复检测方法；输出端口数据刷新等。

2.3EMC 强化软件抗干扰下列方法可以改进EMC 的性能：穴1雪数据完整性的定期自检。

穴2雪围绕关键任务，数据的冗余和安全检验的执行，探测失控状态。

穴3雪建立一种程序自始至终要经过的中间站点。

穴4雪控制/数据寄存器的周期性更新，这对I /O 寄存器特别有用。

穴5雪每探测到一个失控状态必须引导初始化程序。

3结论本研究从软硬件两个方面详细的介绍了焊机的电磁兼容性设计。

在硬件设计中，对控制系统、电源、PCB 等采用了相应的措施，在软件抗干扰中，采用了数字滤波等技术，可以有效地改善系统的EMC 。

参考文献：眼1演张瑞昌.焊接设备的电磁兼容性穴EMC雪及其考核眼J演.电焊机，1998，28穴3雪：1-7.眼2演Mark I Montrose.电磁兼容与印制电路板理论、设计、布线眼M演.北京：人民邮电出版社，2002.眼3演王幸之，王雷.单片机应用抗干扰技术眼M演.北京：北京航空航天大学出版社，2002.眼4演彭在灿.单片机控制的抗干扰技术眼J演.机电工程技术，2005穴1雪：77-78.眼5演谢晓晖，崔长利.“看门狗”技术在单片机控制系统抗干扰设计中的应用眼J演.电测与仪表，1996穴7雪：6-8.眼6演赖祖武.电磁干扰防护与电磁兼容眼M演.北京：原子能出版社，1993.眼7演吴瑞云，李严.焊接过程微机控制系统中线性隔离电路的研究眼J演.电焊机，1992，22穴5雪：15-17.讨论︱︱弧焊设备EMC 及焊接环境EMF专题讨论第39卷。