基于电网智能模糊控制器的干扰源分析

　　摘要：电网智能模糊控制器由于应用于高电压及复杂电磁环境场合，必须准确分析电磁干扰源并设计屏蔽干扰的措施，才能保证设备的安全运行。本文首先讨论了外部骚扰源的产生原因，着重介绍防静电放电(ESD)干扰措施，防辐射电磁场干扰措施，抗衰减振荡波干扰措施，抗浪涌(冲击)干扰措施，抗快速瞬变脉冲群干扰措施。并提供了在实验结果的基础上改进的方法。其次讨论了内部骚扰源抗干扰设计时着重考虑的问题，对软件抗干扰的设计做了简要说明。

　　1引言

　　各种控制装置，正向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展，使计算机硬件、软件设计越来越复杂，致使装置对电磁骚扰具有更明显的敏感性和脆弱性。设备工作在电磁环境极其恶劣的变电站中，电磁兼容水平、可靠性等因素对装置的安全、稳定工作是极其重要一方面。我们为高压开关柜设计的温湿度及计数控制器由于应用于高电压及复杂电磁环境场合，必须解决电磁兼容问题才能保证设备的安全运行，本文主要是研究如何提高装置的抗电磁干扰性能。

　　国内生产的高压开关柜内部仍然采用模拟电路构造的简易温湿度测控装置，高压开关动作的计数装置仍然采用机械式结构。温湿度测控装置的测点单一，而且一般在装置内部，低，无读数，高压开关动作计数部件技术含量及可靠性低。针对以上问题设计的模糊控制器集计数器与温湿度控制器于一身，控制单元采用稳定性较高的AVR单片机，可高速检测两路高温度传感器及两路湿度传感器；高压开关动作次数采用两路电子式记录。

　　系统框图如下：

　　图1温湿度控制器系统框图

　　2系统外部骚扰源抗干扰设计

　　系统外部骚扰源主要有以下几种类型：[1]

　　a) 高压回路中操作隔离开关及断路器引起的电气暂态现象。

　　b) 高压装置产生的工频电场和磁场。

　　c) 接地系统中的短路电流引起的电位升。

　　d) 雷电引起的电气暂态现象。

　　e) 由于低压设备开合操作引起的快速瞬变干扰。

　　f) 静电放电。

　　g) 由于设施内部其它电气或电子设备产生的高频传导和辐射骚扰。

　　2.1防静电放电(ESD)干扰。

　　作为设备的外壳端口，任何暴露部分都可能发生静电放电。常见的情况是在键盘、控制部件、外界电缆等部位或在直接接触的金属构件表面发生静电放电。静电向附近导体(可以是设备本身上的非接地金属板)的放电产生很大的局部瞬态电流，这个电流通过电感或公共阻抗祸合到设备中产生感应电流。如果它流过数字设备时，很可能使数字电路发生误动作。

　　静电放电保护措施:全部采用塑料外壳。面板使用覆膜按键。机箱良好接地。

　　一般来说只要注意接地及机箱结构设计，装置就能够顺利通过静电放电干扰试验。

　　2.2防辐射电磁场干扰。

　　辐射电磁场干扰对集成电路型装置影响较大，但是，辐射电磁场干扰对本装置影响较小。很多是由于开关电源在施加辐射电磁场干扰时不能够稳压引起的问题。本装置并没有采用开关电源，在辐射电磁场干扰措施上只采取了在机壳内部覆盖铝膜的方法，通过了1V /m,3V/m及10V/m三种场强等级的试验。

　　2.3 抗1M Hz和100kHz衰减振荡波干扰。

　　1MHz和,1OOkHz衰减振荡波干扰主要是模拟变电站的高压母线的开关操作出现隔离刀闸的和、分操作引起的陡波瞬态，属于“阻尼振荡瞬态脉冲群(阻尼振荡波)”。1M Hz和100kHz脉冲群干扰通过传导、电容藕合及磁场祸合等方式影响装置。只要在各个电源、信号及控制线端口对大地加入耐压值较高的0.1uf或0.01uf解藕电容，构成泻放回路，即可从共模、差模两个方面抑制此种瞬态骚扰。

　　2.4抗浪涌(冲击)干扰。

　　浪涌呈脉冲状，其波前时间为数微秒，脉冲幅度从几百伏到几万伏是一种持续时间长、能量较强的骚扰。浪涌骚扰可能会影响电子设备的工作，甚至会烧毁元器件。电子设备只能依靠过电压保护或浪涌保护器件来抑制浪涌骚扰，通过浪涌保护器件动作将浪涌电流泻放至大地。我们在电源接口采用添加TVS瞬态抑制管的方法取得了满意的结果。

　　2.5抗快速瞬变脉冲群干扰。

　　瞬变骚扰是电磁兼容试验中难通过的，新标准取消了2.5 KHz脉冲重复频率，而增加了100KHz脉冲重复频率，[2]因此，新的标准把测试频率提高，其本质上也是将试验的严酷程度有所提高。

　　瞬变骚扰的起因是多种多样，如开关动作、电网故障、自然现象等。电源回路瞬态包括差模及共模两种形式。差模尖峰电压往往有较慢的上升时间和较高的能量，为了防止输入电路损坏，对瞬变干扰采取以下措施:使所有外界接口在空间上相互靠近；用光电藕合器隔离敏感信号接口；电源接口添加TVS瞬态抑制管。

　　2.6试验结果

　　实施以上措施后根据IEC61000标准进行的试验结果如表1。

　　虽然通过了大部分的电磁兼容试验，但在快速瞬变脉冲群干扰试验中出现了暂时性的功能丧失，经过查找原因，应是通过电源接口窜入的干扰。在电源端口加装滤波器抑制30MHz以下频率范围的噪声，用铁氧体磁性材料抑制高频电磁干扰是经济简便而有效的方法，插入损耗和抑制元件的阻抗有如下关系：

　　由上式可见，在源阻抗和负载阻抗一定时抑制元件的阻抗越大，抑制效果越好。在低频时，铁氧体损耗电阻较小，主要是感抗起作用。在高频端，铁氧体损耗起主要作用。低频时，干扰信号被反射而受到抑制，在高频端，干扰信号被吸收并转换成热能。经过改进顺利通过了快速瞬变脉冲群干扰试验。

　　3系统内部骚扰源抗干扰设计

　　系统内部骚扰源来源主要有：

　　a)公共电源 这是典型的传导干扰源,由于电源内阻不为零,尤其是在高频频段,电源除向设备提供有用的电能外,也提供了无用的成分。

　　b)PCB板上的震荡器、时钟电路、地址总线的低位数据线等所产生的周期信号

　　是产生辐射强的信号。

　　c)因为芯片逻辑门的输出状态发生变化，电源线和地线上会有电流突变(可能引起较强的电磁辐射)，所以电源线和地线上的电感可以引起的PCB板上电源线和地线上的噪声电压。电源线和接地线产生串扰和公共阻抗噪声。

　　3.1 电源的抗干扰措施

　　主机电路与外围电路采用不同的电源供电,分散的独立功能的模块分别供电,每个模块上可分别再通过三端稳压块(7805,7812等)稳压.主机电路的稳压块外加较好的滤波电路和隔离电路.

　　3.2 电路板的抗干扰措施

　　印制电路板的布局与设计是否合理对系统的可靠性至关重要,这里是噪声的产生、传播和吸收的关键部位,设计时应注意的事项主要有3项。

　　(1)印制板的尺寸、布线与分区要合理。尺寸过大使铜皮走线过长,噪声影响加大,过小则影响散热,且使平行布置的导线间的干扰加大。在布线时应尽量减小线路所包围的面积,以降低寄生耦合所产生的电磁干扰;同时注意避免出现大的环形,拐弯应有弧度,用地线屏蔽信号线等。在设计电路板时,应将模拟电路区、数字电路区和功率驱动区合理分开,减少相互间的干扰。[3]IO驱动器件和功率放大器应尽量靠近印制板的边缘及引出的接插件。在印制板上,地线、电源线及重要的信号线要尽量粗,信号线的过孔要尽量少,噪声敏感线不与高速线和大电流线平行,从高噪声区来的信号要加滤波,每个IC元件要加一个去耦电容。印制板用的片状滤波器,其引出线需套EMI吸收珠后再串接于需要抑制干扰的线路中。

　　(2)接地要科学.在设计地线时首先应将地线进行分类,对低频电路采用一点接地,对高频电路采用多点接地,同时数字电路与模拟电路应分别接地;噪声元件与非噪声元件要离得远一些,同时,在每一个元件的电源输入端与地之间接一去耦电容以滤去噪声干扰,在重要的信号线两侧加上保护接地。[4][5]地线、电源线要尽量粗,整个电路板要按照单点接电源单点接地的原则送电。

　　(3)输入输出的隔离与屏蔽要进行规划。输入输出信号可加上光电耦合器予以隔离,防止外围器件动作产生的回流冲击系统电路。

　　3 软件的抗干扰技术

　　除硬件的抗干扰设计外,软件的抗干扰措施也能大大提高系统的防御能力,是防止和消除整个应用系统故障的重要途径。鉴于介绍这方面的文献较多，这里不再详细介绍其原理。在编制系统程序时我们主要采用了以下几种软件抗干扰技术：指令冗余，软件陷阱，EEPROM中的数据保护及自动恢复,看门狗程序。

　　4结论

　　经过一段时间的试运行，设备运行稳定，没有出现误动和计数混乱现象。通过对本设备的电磁兼容的研究，为设计在恶劣环境中应用的嵌入式系统提供了非常实用的参考依据。

　　本文作者创新点: 在系统外部骚扰源抗干扰设计中主要难以通过的是快速瞬变脉冲群干扰试验，除了采用光电藕合器隔离敏感信号接口；电源接口添加TVS瞬态抑制管等常用的抗干扰措施以外，再结合用铁氧体磁性材料抑制高频电磁干扰，为设计系统的电磁兼容提供了经济简便而有效的方法。在系统外部骚扰源抗干扰设计中强调了PCB设计时要着重考虑的几个方面，在芯片级电磁兼容设计中具有很好的实用意义。

  

参考文献:

[1]. TVS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TVS_1174166.html.