关键词：埋弧焊机; 控制系统; 屏蔽技术; 数字滤波
Abstract：The anti—interference technique for arc-submerging welder controlled by microcomputer is developed. The possible origins of abnormal operation of welding are analyzed. On the basis of analysis some measures are taken in the circuit design. The hardwares include shield，decoupling，filter，isolation，and grounding.Software include watchdog，redundant instruction，and digital filtering.Testing results show that these measures can solve the problem of interference which influences the control system.
Keywords：arc-submerging welder, control system, shield, digital filtering
引言
埋弧焊在工业生产中应用广泛，它具有生产效率高、焊缝质量高、劳动条件相对较好等优点，但传统的埋弧焊电源不仅耗电大、耗材多而且送丝电路复杂。这与当前微电子技术、计算机控制技术和电力电子技术发展水平很不协调。
逆变电源具有体积小、重量轻、耗电小、效率高等特点。随着电力电子技术的发展，新的高压大容量、集成化、全控化、高频化、多功能及智能化功率模块器件的出现，为逆变电源的发展带来了新的机遇。采用单片机控制的弧焊逆变电源，利用其良好的动特性和焊接工艺性能将更有利于控制整个弧焊过程，提高焊接质量。焊机的控制电路采用INTEL16位单片机（8OC196KC）进行控制，控制电路要完成数据采集、程序控制和电源外特性控制等功能，因此，单片机的可靠工作无疑是整个焊机可靠工作的关键因素之一。为了最大限度地减小各种干扰带来的不良影响，除了精心挑选集成度高、抗干扰能力强、功耗小的元器件和精密调整元部件外，还必须从硬件和软件两个方面有针对性地采取的一些具体的抗干扰措施，系统才能保证稳定可靠的运行。
1 干扰的来源
干扰源,是产生干扰的元件、设备或信号。单片机系统的干扰源主要有电子元器件自身的热噪声,电气和电子设备产生的电磁干扰,大功率设备对电网产生的影响,大功率广播、电视、通讯等设备所发出的电磁波,系统自身电路的过渡过程,印制板电路设计布局不合理等等。
干扰可以沿各种线路侵入单片机系统。工业环境中的干扰一般以脉冲形式进入系统,渠道主要有三条:一是空间干扰（磁场干扰） ,电磁信号通过空间辐射进入系统;二是过程通道干扰,干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入;三是供电系统干扰,电磁信号通过供电线路进入系统 。
2 硬件抗干扰技术
硬件抗干扰设计是设计系统时首选的抗干扰设计方案，它能有效地抑制干扰源，阻断干扰传播途径.合理地布置与选择有关参数，能抑制系统的绝大部分干扰.
2.1 主机单元配置抗干扰
单片机系统本身最容易受到干扰的部分包括复位电路和时钟电路.通常的复位电路采用RC复位电路，见图1a.这种方法所提供的复位时间不到5Oms.若再加大复位电容，会使监视定时器WDT （WATCHDOG TIMER）产生的复位信号难以起作用。本系统采用的是MAX705监控芯片，它可以输出宽度高达200ms的低电平复位脉冲，足以保证80C196KC的可靠复位，另外，它还有电压监测及看门狗的功能.为了避免出现杂散电荷迫使RESET为错误状态的情况，在RESET脚连接一个下拉电阻，这样可以吸收杂散电荷并保持复位信号为低电平.另外，为了避免因为干扰使电源电压上产生毛刺而引起的频繁复位，在单片机、数字IC和监控器的电源引脚与地之间各接一个0.1 μF的瓷片电容.使用MAX705的复位电路如图1b所示.
图1 单片机复位电路
时钟电路产生CPU 的工作时序脉冲，是CPU正常工作的关键部件.很多干扰归根到底是破坏了时钟的正常运行，从而导致CPU 的工作失控.图2表明时钟信号中叠加噪声干扰后，会改变时钟分频信号，导致CPU工作时序发生紊乱.本系统采用的是12MHz的晶体振荡器，单片机产生的最有影响的高频噪声大约是其时钟频率的3倍。
图2 噪声对时钟信号的干扰
为了避免因时钟电路引起的干扰，本系统在PCB布线时采取了以下抗干扰措施：
（1） 时钟脉冲电路配置在靠近单片机80C196KC处，采用粗而短的引线.
（2） 振荡电路用地线包围起来，晶体外壳接地.
（3） 晶振电路的电容器采用性能稳定、容量值准确的电容，并且远离发热元件.
（4） 印刷板上的大电流信号线、电源变压器远离晶振信号的连线.
2.2 电源抗干扰
在单片机的控制系统中，危害最严重的干扰来自电源噪声， 电源内阻是引起电源干扰噪声的主要原因。如果没有这种内阻，任何干扰噪声都会被电源短路，在线路中不会造成任何干扰电压。但事实上，电源内阻不可能不存在。因为电源噪声主要来自一些大功率设备的使用以及电源本身配置的不合理性。
单片机数据采集的电源干扰主要是由于过电压、欠电压或尖峰电压的出现引起的。过电压和欠电压的危害是显而易见的，它会使系统的直流供电电压偏离允许范围，而处于非正常丁作状态。对于尖峰电压，由于它持续时间很短一般不会损坏系统，但对单片机正常运行破坏很大，它会使逻辑功能紊乱，甚至破坏源程序，解决以上问题的方法就是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器和稳压器。
2.3 电磁干扰
焊机中的高频变压器工作在20kHz的频率下，其漏磁是一个很大的干扰源.另外，高频电流还会在周围产生电力线和磁力线并发生高频变化，从而形成一种在空间传播的电磁波.本系统中采取了屏蔽与双绞线传输两种措施.首先用金属屏蔽体将整个焊机隔离成几个不同的区域，单片机控制系统单独放在一个区域，变压器和功率开关管等有强烈电场、磁场以及电磁场干扰的部分放在另外一个区域，利用其周围屏蔽体阻断空间场的耦合.另外，用铁板包在变压器的侧面，为漏磁提供回路，也可用非导磁材料比如铝板隔断漏磁.双绞线有很强的抑制电磁感应干扰的能力，系统采用双绞线与光耦配合完成主控制板与送丝电路板之间的传输。
2.4 隔离与接地
焊机中既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。使两者之间既要保持控制信号的联系，又要隔绝电气方而的联系，即实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定、设备操作人员安全的重要措施。系统采用光电耦合器和继电器两种隔离方式。系统中所有的模拟与数字输入、输出通道都普遍采用光耦进行隔离：弱电与强电之间的功率接口则采用继电器进行隔离;有些部分还同时采用了光耦和继电器隔离。从而避免了它们之间的直接接触，降低了其危害程度。除了隔离之外，接地技术也是抑制噪声的重要手段。良好的接地可以在很大程度f 抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力，采取了以下做法：
（1）在印刷电路板上，将数字地与模拟地分开走线，最后在电源端与地线相连。
（2）模拟信号线避免商角走线。另外，地线尽量加粗、加宽，并形成环路。印刷电路板电源引线采用一点接地。
（3）将控制系统的数字地和模拟地浮空，而焊机以及控制电源的外壳采用屏蔽接地，这样可以有效防止静电和电磁感应干扰。此外，在所没计的硬件抗干扰系统中还包括其他多种抗干扰措施，如：电磁抗干扰、去耦电容抗干扰、感性负载抗十扰和机械开关触点抗干扰等。
3 软件抗干扰措施
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，软件抗于扰技术是当输入信号受干扰后去伪求真或系统受干扰后使系统恢复正常运行的一种辅助方法。
3.1 监视定时器（WDT）
WDT可由硬件实现，也可由软件实现.本系统使用的复位芯片MAX705本身就带有硬件看门狗功能，同时本系统使用了80Cl96KC本身自带的看门狗功能，其实质是一个l6位计数器.当它启动后，每个状态周期其计数增1，若在64 K状态周期（本系统采用12 MHz晶振，约为11 ms）内，没有通过指令清除它，则计数器就会溢出，把RESET引脚拉低至少1个状态周期，使系统复位，重新初始化。
3.2 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：
（1）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。
（2）数字滤波可以对频率很低的信号滤波，而模拟滤波器南于受电容容量的影响，频率不能太低。
（3）数字滤波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。
3.3 冗余指令
单片机最易受干扰的是内部程序计数器PC的值，在受到强烈的干扰后，PC值被改变，改变后的值又是随机的，具有不确定性，往往会使单片机将程序
从正确位置跳转到一个不确定的区域继续执行，或将操作数当作操作码来执行，引起程序混乱。因此，在编写程序时，尽量少采用多字节指令，并在关键的地方有意识地插入一些空操作指令NOP，这就是冗余指令.冗余指令的插入可以减少程序弹飞的次数，当弹飞的程序遇到这些空指令时，就使PC的内容得到调整，使程序很快纳入正确轨道.另外，在存储器没有使用的单元中全部填充0FFH值，即复位指令RST的目的代码值，这样在程序被弹飞到这些区域时，就会被复位，避免了系统的瘫痪.
3.4 软件陷阱
当跑飞的程序进入非程序区,冗余指令便不起作用,这时可通过软件陷阱拦截跑飞的程序,将其引向指定位置,再进行出错处理。软件陷阱是用来将捕获的跑飞程序强行引向专门处理错误的程序的入口地址。假设这段处理错误的程序入口地址为ERROR,则下面三条指令即组成一个软件陷阱:NOP NOP LJMP。ERROR通常在EPROM非程序区填入这样的软件陷阱。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方,故不会影响程序的执行效率。
4 结论
（1）系统分析了可能影响焊机控制系统正常工作的各种干扰及其所产牛的原冈，并从硬件和软件两个方面分别采取相应的抗十扰措施。
（2）单片机实际应用系统抗干扰的根本在于硬件、软件抗干扰只起到补充作用。因此，在设计系统时，只有二者兼顾，相互补充，结合，才能取得良好的抗干扰效果。
（3）经焊机试验表明，以上采取的软硬件措施切实有效，收到了良好的效果，解决了逆变埋弧焊机控制系统的干扰问题.
参考文献：
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