編碼器信號(hào)干擾問題

首先就是編碼器的選型問題，別只迷信是不是進(jìn)口的，編碼器的選型正確才是第一步的，打鐵還要自身硬啊。

一、屏蔽技術(shù)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(dǎo)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,使外部干擾電場(chǎng)的電力場(chǎng)不影響其內(nèi)部的電路。反過來,編碼器內(nèi)部電路產(chǎn)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干擾,也一樣能防止交變電場(chǎng)的干擾,所以許多儀器的外殼用導(dǎo)電材料制作并且接地。

作為金屬屏蔽層的外殼，應(yīng)全包裹屏蔽的，并盡量沒有帶有尖角部分和不同金屬材質(zhì)的螺絲，金屬導(dǎo)體尖角因“尖端效應(yīng)”而成為一個(gè)電場(chǎng)畸變的干擾吸收天線。同樣的，不同材質(zhì)的螺絲因?yàn)榻饘偬匦缘牟煌?，一樣?huì)有邊界的尖端效應(yīng)而引入干擾。編碼器外殼邊角圓滑并應(yīng)用無螺絲的封裝技術(shù)，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(chǎng)和固定磁場(chǎng)耦合干擾的有效措施。任何通過電流的導(dǎo)線或線圈周圍都存在磁場(chǎng),客觀存在磁場(chǎng),它們可能對(duì)檢測(cè)儀器的信號(hào)線或者儀器造成磁場(chǎng)耦合干擾。為了防止磁場(chǎng)耦合干擾,必須采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層,以便讓低頻干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽層上通過,使低頻磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受低頻磁場(chǎng)耦合干擾的影響。例如,儀器的鐵皮外殼就起到低頻磁屏蔽的作用。若進(jìn)一步將外殼接地,以同時(shí)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,可使得外部磁干擾源遠(yuǎn)離內(nèi)部電源、傳感器及內(nèi)部MCU，吸收外部磁場(chǎng)的變化能量，全金屬屏蔽層可吸收低頻磁振蕩產(chǎn)生的能量。減弱磁源磁場(chǎng)的干擾。

3.電磁屏蔽:電磁屏蔽也是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形,將被保護(hù)的電路包圍在其中。它屏蔽的干擾對(duì)象不是電場(chǎng),而是高頻(40KHz以上)磁場(chǎng)。干擾源產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)遇到導(dǎo)電良好的電磁屏蔽層時(shí),就在其外表面感應(yīng)出同頻率的電渦流,從而消耗了高頻干擾的能量，從而使電磁屏蔽層內(nèi)部的電路免受高頻干擾磁場(chǎng)的影響。

 

4.減少信號(hào)傳輸?shù)慕泳€端子尖角線頭，盡量一根電纜線直接到接收端。信號(hào)傳輸中間的接收電纜線頭是一個(gè)暴露的干擾吸收“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(shí)應(yīng)盡量沒有暴露外翹的線頭，做圓滑性處理，在信號(hào)傳輸中應(yīng)盡力避免線頭與尖角。

 

二、增量編碼器的信號(hào)選擇，應(yīng)選擇具有反相通道的輸出信號(hào)

應(yīng)選擇A+A-B+B-Z+Z-的6通道信號(hào)輸出類型的增量編碼器，其中，推挽式含反相信號(hào)6通道HTL-G6（A/A-,B/B-,Z/Z-)，一方面其9—30V的寬電源優(yōu)點(diǎn)與極性、短路保護(hù)不易損壞，另一方面由于干擾源對(duì)于編碼器正反相的信好的干擾作用相當(dāng)，干擾在編碼器接收設(shè)備中可抵消，此類增量編碼器信號(hào)傳遞可達(dá)到無干擾傳輸，傳遞也更遠(yuǎn)（專用電纜200米,依據(jù)電纜與現(xiàn)場(chǎng)情況），此類信號(hào)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(jī)械中應(yīng)首先考慮使用。

建議不要用NPN型輸出的編碼器，除非你是個(gè)不怕事找事的抗干擾的高手。理由我已經(jīng)在另一篇關(guān)于NPN與PNP的文章里講過了。

 

三、信號(hào)電纜選擇，選擇專業(yè)的編碼器專用電纜雙絞屏蔽電纜

不僅僅是編碼器內(nèi)部的電路的保護(hù)，編碼器自帶的輸出信號(hào)的信號(hào)傳輸電纜，以及外接的加長(zhǎng)信號(hào)電纜，都應(yīng)選用編碼器信號(hào)專用的雙絞屏蔽電纜，并電纜屏蔽層有超細(xì)的高密度高導(dǎo)通性的金屬細(xì)線編織成保護(hù)層，可以吸收外部輻射的高頻電磁場(chǎng)變化，從而起到屏蔽保護(hù)的作用。

舉例來說，無線電廣播的本質(zhì)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?cè)谄?鋼板車身,但并未接地)里收不到電臺(tái),而必須將收音機(jī)的天線拉出車外的原因。
若將電磁屏蔽層接地,它可同時(shí)兼有靜電屏蔽作用,對(duì)電磁波的屏蔽效果就更好。通常作為傳輸線使用的銅質(zhì)網(wǎng)狀屏蔽電纜接地時(shí)就能同時(shí)起到電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用。

電纜屏蔽層的接地，通常是在信號(hào)接收端的單端接地。

 

注意，雙絞屏蔽電纜的“雙絞”的作用，是作為信號(hào)配對(duì)的使用的，對(duì)于集電極開路的NPN和PNP的單極信號(hào)沒有雙絞的效果。對(duì)于A+與A-要雙絞配對(duì)，B+與B-雙絞配對(duì)，Z+與Z-雙絞配對(duì)。即使在接收端如果只接A+,B+,雙絞線一樣要將配對(duì)信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩耍挥媒拥男盘?hào)絕緣懸空。

 

四、選擇具有寬工作電壓與信號(hào)短路保護(hù)的編碼器

很多干擾來自于編碼器的供電電源----電源的波動(dòng)，電源0V基準(zhǔn)的破壞，這要求在發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)有干擾的情況下，現(xiàn)場(chǎng)的編碼器工作電源應(yīng)獨(dú)立給編碼器供電，并輸出功率選擇有足夠大（編碼器標(biāo)示功耗的2倍以上）。而選擇的編碼器也應(yīng)具有寬工作電壓，例如9—30Vdc甚至5—30Vdc的工作電壓，這表明編碼器內(nèi)部電路對(duì)工作電源的設(shè)計(jì)，已經(jīng)考慮了輸入電源的降壓穩(wěn)壓濾波，有較好的電源抗波動(dòng)性干擾。另外，要選擇編碼器信號(hào)對(duì)電源的短路保護(hù)（信號(hào)線對(duì)電源的正負(fù)極短接不燒），這也是編碼器設(shè)計(jì)中已對(duì)于信號(hào)對(duì)0V基準(zhǔn)波動(dòng)的有過濾或截?cái)嘣O(shè)計(jì)。

 

以上是講增量編碼器自身的選型和信號(hào)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(cuò)了，那是一個(gè)不具備抗干擾設(shè)計(jì)的NPN型編碼器，盡管其號(hào)稱是“知名進(jìn)口品牌”的。

 

五，接地技術(shù)
接地是保證人身和設(shè)備安全、抗干擾的一種方法。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,減小或削弱干擾的重要措施。

編碼器信號(hào)傳輸至接收設(shè)備,在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),由于兩者相距離較長(zhǎng),信號(hào)傳輸線也較長(zhǎng),所以測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生跳動(dòng)、造成誤差變大。解決此類問題必須按接收端一點(diǎn)接地原則。所謂一點(diǎn)接地就是指在電路中如果采用多點(diǎn)接地的話,由于各接地點(diǎn)的電位不同就可能形成電路的干擾信號(hào),因此在電路中盡可能的做到在接收端一點(diǎn)接地,如果不能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地,則盡量將接地線加寬,以使各接地點(diǎn)的電位相近,以免形成信號(hào)干擾源。

我們對(duì)接地的檢查，都是基于靜態(tài)電阻的測(cè)量，但是在有電機(jī)、變頻器等交流動(dòng)態(tài)設(shè)備環(huán)境下，已經(jīng)不僅僅是靜態(tài)的電阻，而是包含了電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)的電容電感變化，所以接地也要考慮有電容匹配的接地?；蛘咴黾咏拥孛娣e增加電容濾波性。

不要看到屏蔽線\看到外殼就接地,如果你對(duì)接地是否做好沒有把握（包括靜態(tài)電阻測(cè)量的等電位和交流動(dòng)態(tài)下的瞬間等電位平衡），那我的建議是此地的大設(shè)備接地，小器件隔離懸浮----干擾環(huán)境下拼體量的，小的拼不過大的。

 

六、隔離措施
隔離是破壞干擾途徑、切斷耦合通道,從而達(dá)到抑制干擾的一種技術(shù)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(tǒng)有很多同時(shí)在工作的其他器件，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的干擾。
增量信號(hào)接收的光電耦合器隔離，應(yīng)用于增量脈沖信號(hào)的接收單元電路中。目前,在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中越來越多的采用光電耦合器來提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力。
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(jī)和變頻器的場(chǎng)合下，如果碰到有干擾問題，那很有可能是遇見了電機(jī)外殼的“交流漏點(diǎn)”了。電動(dòng)機(jī)本身同時(shí)也是個(gè)發(fā)電機(jī)，交變的勵(lì)磁電流和反電動(dòng)勢(shì)都會(huì)對(duì)電機(jī)外殼可能產(chǎn)生電磁場(chǎng)影響。尤其是在啟動(dòng)的瞬間，電機(jī)動(dòng)力與“發(fā)電”的反電動(dòng)勢(shì)是不平衡的，恰是這種不平衡力驅(qū)動(dòng)了電機(jī)的加速運(yùn)動(dòng)，但是這種不平衡的電磁場(chǎng)也會(huì)作用到電機(jī)外殼，就有可能在電機(jī)外殼上產(chǎn)生瞬間的交流漏電，我們?cè)跈z查電機(jī)外殼的接地只是靜態(tài)的量測(cè)電阻的，無法確定在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間能夠有很好的交流導(dǎo)通接地。在這種干擾情況下，建議編碼器外殼（包括編碼器轉(zhuǎn)軸）要對(duì)電機(jī)外殼絕緣隔離。

 

七、接收設(shè)備的帶寬頻率選擇

接收設(shè)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(shí)，表明其對(duì)于信號(hào)上升下降沿的響應(yīng)敏感，這同時(shí)也對(duì)干擾竄入較敏感了。應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的最高信號(hào)頻率進(jìn)行計(jì)算，選擇合適的最高接收頻率。在歐系有些接收設(shè)備中，已有對(duì)于接收最高頻率的可設(shè)置。

 

八，改用絕對(duì)值編碼器

絕對(duì)值編碼器的信號(hào)與歷史無關(guān)，任何干擾過后可以重新讀取信號(hào)，而不受前次歷史事件影響（干擾），另外，絕對(duì)值編碼器可用軟濾波技術(shù)，在有些絕對(duì)值編碼器的信號(hào)形式中已加入了和校驗(yàn)、異或校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)，例如絕對(duì)值編碼器數(shù)字總線式輸出模式中都已經(jīng)加入了校驗(yàn)碼。通過校驗(yàn)碼對(duì)比去除傳輸中干擾引起的個(gè)別數(shù)位上的突變數(shù)據(jù)。因?yàn)榻^對(duì)值編碼器的每次讀取數(shù)據(jù)是獨(dú)立性的，與前次歷史無關(guān)，因此可以將突變的通過對(duì)比判斷是不合理的數(shù)據(jù)通過軟濾波技術(shù)剔除。