抗干扰技术在轴承测试设备中的应用

江纯清,李平一

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039；4.万向钱潮股份有限公司，杭州 311215)

轴承各项参数的检测与试验是判定轴承是否合格以及性能指标高低的重要手段，是轴承生产制造过程中不可缺少的重要环节。目前，高精度轴承检测仪器(轮廓粗糙度仪、圆度仪、圆柱度仪等)的位移测量分辨率已达0.01 μm，轴承试验设备(寿命、模拟、性能试验等)则要求其连续可靠工作时间达上万小时。

由于轴承各类测试设备通常在工业现场环境下运行，不可避免地会受到内部和外部环境的干扰,除自身测控系统中的伺服驱动器、变频器外，周边的大功率生产设备、天车、高频炉、电焊机等亦产生较大的电磁干扰。这些干扰往往使有用信号叠加各种噪声，影响测量结果的真实性及可靠性。因此，提高设备电气测控系统的抗干扰能力、保证测试精度，使其能够长期稳定地可靠工作,是测试设备的关键。

1 测试设备电气结构特点

以轴承寿命试验机为例说明电气测控系统的结构特点。如图1 所示，电气系统硬件由振动传感器、压力传感器、温度传感器，信号调理电路、多功能数据采集卡、通信卡、变频器、电子放大器、工业控制计算机及低压控制电路组成。工业控制计算机是测控系统的核心，测控软件基于LabWindows/CVI编程语言进行参数设置，数据采集、处理、存储、显示、控制和打印，同时具有启停、互锁、过载报警、急停等一系列保护功能。

该类设备电气系统的特点为：1)置于现场的多路振动、压力、温度传感器的信号需送至位于控制室的计算机(内置数据采集卡)中进行A/D转换，相对距离较远(15～30m)；2)计算机经数据采集卡进行D/A转换后向电子放大器发出模拟量控制信号，通过液压比例阀控制轴向和径向载荷，压力传感器与液压加载形成闭环控制，要求载荷准确、稳定；3)计算机与变频器相距较近，共用总电源，易受干扰。

2 干扰源分析

在不同的生产现场环境下，测试设备电控系统所受的干扰源也不尽相同。

2.1 空间辐射感应的干扰

测控系统周边存在各类电场与磁场，通过与测控系统相连的信号线、控制线、电源线等产生感应，侵入测控系统。

2.2 电网供电引起的干扰

测控系统的电源由电网提供，大型设备启停冲击、开关浪涌电流、交直流传动驱动设备引起的杂波、变频电动机等干扰均会通过供电网络传至测控设备。实践证明，因电源干扰造成测控系统不稳定的成分较大。

2.3 因信号线引起的干扰

此类干扰主要通过下列途径侵入：1)因信号线受空间电场或磁场辐射感应产生的共模干扰；2)信号线之间的电容耦合干扰。

2.4 接地产生的干扰

接地通常包括保护接地、工作接地和屏蔽地。任何接地都有接地阻抗，电流在接地阻抗上产生电压降，会造成地线上不同的接地点电位不同，形成地环电流，最后导致共阻抗干扰。此外，接地电压亦会在前、后级电路之间的并行传输线上产生共模电流，此时若传输线对地阻抗不同，共模电流大小不一，则会在后级电路输入两端产生差模电压，即所谓的共模干扰[1]。

2.5 变频器干扰

由变频器的工作原理可知，其输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，它们均由起开关作用的非线性电子器件组成，在电路通、断过程中，会产生大量的高次谐波，使电网的电压波形产生畸变，同时产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的供电质量。

3 解决干扰的方法

为保证测控系统在生产现场中免受或减少内部和外部的电磁干扰，可从抑制干扰源，切断或衰减干扰传播途径，提高自身抗干扰能力这3个方面考虑。具体可以从系统的硬件、软件2方面采取措施。

3.1 测控系统的硬件抗干扰设计

测控系统硬件抗干扰设计主要从系统的交流电源、空间磁场干扰、系统接地、屏蔽层接地、信号电气隔离、布线方式入手。

3.1.1 降低交流电源的干扰

1)将测控系统的总电源直接接入低压配电柜的主母线排上，尽可能缩短线缆长度。

2)可采用具有谐波净化功能的在线式不间断电源稳压装置，稳压装置内部采用了隔离变压、整流滤波、阻容吸收等措施。利用正弦脉宽调制技术，用逆变器将整流滤波后的直流电或蓄电池电转换为较为纯净、高质量的正弦波交流电源，可有效地抑制电网引入的干扰。

3)优化供电电源。电源干扰主要通过供电线路的电抗耦合产生，在干扰较强的情况下，可在系统电源前端加入低通滤波器和带屏蔽层的隔离变压器[2]，如图2所示。

图2 供电电源优化示意图

4)分别供电。测控系统内部的控制器、驱动器、电子放大器、电磁阀的电源均采用开关电源，各类传感器信号调理电路采用独立的线性电源，实现弱信号与其他设备的供电分离，有助于抗电网干扰。

3.1.2 线间干扰的抑制

电流较大、电压较高的供电线缆产生的辐射会对测量和控制信号产生耦合电磁干扰，为降低此类干扰，可以采用屏蔽电缆和隔离措施，减少互感耦合。实际布线中应注意以下几个方面：

1)不同信号类型、不同电压等级的电缆应尽可能在不同的线槽、金属桥架中分别铺设，且要避免近距离平行铺设；

2)模拟信号与数字传输信号分开布线，且杜绝信号线与电源线共用；

3)传感器使用完整的电缆线，避免接头；

4)可将测量、控制、通信等信号电缆用镀锌金属软管加以屏蔽;

5)传感器信号线较长时，可采用不易受耦合干扰的4～20 mA电流信号作为传输方式，在A/D转换前再用250 Ω标准电阻转换为电压信号；

6)远距离配线有干扰或铺设电缆有困难时，可采用总线传输模式的远程控制系统模块。

3.1.3 采用屏蔽线、屏蔽双绞线传输信号

采用屏蔽线传输模拟信号可有效抑制导线间的电场、磁场耦合干扰，常用于30 kHz以下信号传输。屏蔽层的接地方式如图3所示,不同的接地方式决定了其抗干扰能力。图3a中，由于电流i1=i2，产生的磁场干扰相互抑制；图3b中,屏蔽层双端接地，由于地环电流iG的迭加，抑制磁场耦合干扰的能力比图3a差；图3c中,屏蔽层悬空未接地，仅能屏蔽电场耦合干扰，不能抑制磁场耦合干扰[3]。因此，屏蔽层常采用单端接地方式。

图3 屏蔽层的接线方式

屏蔽双绞线常用作平衡式传输线路，常用于100 kHz以下信号的传输。屏蔽双绞线是将2根导线按一定密度互相绞在一起，每根导线在传输中辐射出的电磁波会被作为信号返回的另一根线上的电磁波抵消，在屏蔽层单点接地的情况下,抑制磁场和电场耦合干扰的效果明显。另外,其平衡式传输还具有很强的抗共模干扰能力, 在计算机通信网络中常作为传输线使用, 如RS-485 (422)通信的连接就采用了屏蔽双绞线。

3.1.4 测控系统的接地设计

测控系统设备内部有多种接地线，一般分3类[4]：1)以安全为目的的保护地线，常与金属机箱或机柜相连；2)为设备中各个电路提供基准零电位的工作接地；3)为抑制噪声，屏蔽线、变压器的屏蔽层需接地，其地线为屏蔽地线。接地设计时应掌握以下原则：

1)并联一点接地。在工业控制系统中,测控系统信号传输频率一般低于1 MHz，属低频电路，宜采用并联一点接地方式(图4)。采用此接地方式时，各电路地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不受其他电路影响，从而避免了公共地线阻抗耦合干扰问题。

图4 信号地线接地方式

2)当信号源接地时，屏蔽电缆的屏蔽层应在信号源端接地；信号源不接地时，其屏蔽层应在信号接收端(控制器端)接地。

3)对于模拟电路、数字电路、功率电路等各种电路，应设置各自独立的地线，最后汇总到一个公共的接地点。

4)多路测量信号的屏蔽线与多芯屏蔽线缆连接时，屏蔽层之间应连接好，使用屏蔽电缆接头并可靠接地。

3.1.5 隔离

1)光电隔离。在控制系统与外部I/O电路之间，采用光电耦合器隔离技术，将数字输入、输出信号与控制系统电气隔离，防止外部干扰信号及接地环路中产生的噪声信号进入控制系统。

2)继电器隔离。利用继电器的线圈与触点电气隔离的特点，隔离强电与弱电，实现数字输出信号与执行元件之间的干扰隔离。

3)隔离变压器隔离。使用带有屏蔽层的1∶1 隔离变压器是供电线路中常用的抗干扰方法，它对减弱供电线路的冲击脉冲干扰有很好的效果，如图5所示。隔离变压器的初次绕组对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于初级、次级绕组之间的金属屏蔽层起到了电场屏蔽作用，减少了初级、次级绕组之间的分布电容。此外，超级隔离变压器是一种性能更为完善的变压器，其采用了法拉弟屏蔽、盒式屏蔽技术，除一般的隔离功能外，还同时兼有抗共模和差模干扰的能力。

图5 交流电源抗干扰方案

3.1.6 逻辑明确

当采用CMOS逻辑控制电路时，输入端应根据逻辑选择上拉电阻或下拉电阻，明确信号电平，避免干扰信号引起逻辑混乱。

3.1.7 硬件滤波

1)输入端模拟信号。在接入控制系统前可加入阻容滤波电路，如RC滤波、有源二次滤波电路等。

2)输出端干扰信号的抑制。对于交流感性负载场合，在负载的两端并联RC浪涌吸收器，RC愈靠近负载，抗干扰效果愈好；对于直流感性负载场合，在负载两端并联续流二极管，二极管也应靠近负载，二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。具体措施如图6所示。

图6 防止感性负载干扰的措施

3.1.8 变频器干扰的抑制

对于变频器(图7)的干扰可采取如下措施：

图7 变频器配线图

1)增加交流电抗器。输入端电抗器可以改善功率因数并降低电源谐波。当电动机配线超过20 m时，输出端电抗器有助于减小电动机在线路中引起的谐波干扰，防止影响其他设备正常工作。注意：电抗器必须安装在距离变频器最近的地方。

2)零相电抗器。其目的是减弱辐射干扰，亦可降低输入和输出侧干扰。

3)EMI滤波器。正确安装EMI滤波器可抑制变频器产生的高、低频干扰，避免变频器经由传导或辐射的方式干扰周边设备。

3.2 测控系统的软件抗干扰设计

测控系统中，软件设计同样是实现抗干扰的重要手段。测控系统在工业现场采集的信号可以采用数字滤波、防抖动延时等程序设计方法，提高输入信号的可靠性。

3.2.1 软件数字滤波

现场非电量信号通过信号调理电路转换成电压或电流信号，经A/D转换为数字信号后，可通过软件数字滤波对信号进行数据处理，滤除随机产生的干扰信号，得到有用的真实信号。软件数字滤波的方法很多，一般采用滑动、去极值平均、算术平均、加权平均、中值等滤波方法。

3.2.2 记忆延迟

用软件实现开关量输入信号滤波的原理为：当某一信号出现时将其记忆，经过相应的时间延迟后，再次对该信号进行核查，如果信号仍然存在，就认为该信号为真，否则认为是假信号，将其舍弃，从而实现开关量输入信号的确认。

3.2.3 软件容错技术

在工业现场较为复杂的情况下，各种抗干扰设计方案并不可能完全消除或杜绝干扰信号的出现，干扰信号总是以某种形式存在于实际信号中，并有可能在一定条件下对测控系统造成较大的干扰。在软件设计中，应采用软件容错技术和周期性自诊断技术。当系统出现非正常情况，软件监控应能快速反应，迅速根据出错情况作出判断，及时转换至容错程序，完成系统补救措施[5]。

软件容错技术主要包括重复执行技术、死循环判断处理技术、延时判断处理技术等。

4 实际应用

2015年为某轴承生产单位设计制造了6台轴承寿命试验机的电控系统(图1)，这些设备集中放置在生产车间，设备主机与监控计算机相对较远(20 m)，变频器功率较大(30 kW)且周边生产设备多。

该系统的供电情况如图8所示，工业计算机的供电与大功率电主轴、电动机的负载经变压器隔离，220 V交流电源经过交流稳压、电源滤波器稳压滤波后给工业计算机供电。由于温度、压力、振动等传感器信号为模拟量信号，给其供电的线性电源前端增加了电源滤波器。为防止变频器干扰，在其输入、输出端配置了交流电抗器和EMI滤波器。

图8 供电示意图

系统的接地情况如图9所示。线性电源、开关电源、滤波器、电子放大器及变频器的保护地端子，与其安装机柜的保护地铜排相连。金属接口机箱、工业计算机的机壳亦用4 mm2的黄绿地线与保护地相连。温度、压力、振动传感器信号采用4～20 mA电流长线传输，工业计算机与变频器485通信采用屏蔽双绞线传输，其屏蔽层与接口机箱机壳相连，最终与保护地相连。线性电源和开关电源提供+24 V的直流电源，分别供给传感器信号调理电路和电子放大器等，属于工作地，在一点相连且悬浮。

图9 接地示意图

由于采取了上述多项抗干扰措施，并结合独立布线与隔离、硬件RC滤波与软件数字滤波等措施，这6台设备运行1年多来工作状态正常、运行稳定可靠，抗干扰效果明显。

解决测控系统的干扰是一个综合、复杂的技术问题，在设计初期就应全面、综合地加以考虑和规划，根据特定的现场情况，结合系统自身的特点、技术要求做出准确合理的判断，同时要考虑到硬件和软件技术的可实施性和成本，有针对性的采取各项措施，做到更好地抑制干扰、达到设计目标与控制成本的完美结合。