1 引言
電磁兼容（electro magnetic compatibility，emc）是一門以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，包含了信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學(xué)科的邊緣學(xué)科，也是一門研究在有限的空間、時(shí)間和頻率資源條件下，各種電工電子設(shè)備或系統(tǒng)在同一電磁環(huán)境中可以相互兼容而不致引起其性能降低的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)［1］。隨著大規(guī)模集成電路和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電機(jī)及其控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種將電機(jī)、功率電子、微電子融為一體的綜合性自動(dòng)化系統(tǒng)，也使系統(tǒng)電磁環(huán)境的復(fù)雜性成倍增加。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何盡量減小各設(shè)備間的電磁影響，保證系統(tǒng)和各設(shè)備的正常運(yùn)行，是一個(gè)需要深入研究的課題。本文以某種紅外成像跟蹤系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其電磁環(huán)境進(jìn)行了分析，并對(duì)其設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中的電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行了研究與改進(jìn)，解決了圖像傳輸和目標(biāo)跟蹤的不穩(wěn)定問(wèn)題。
2 紅外成像跟蹤系統(tǒng)簡(jiǎn)介
紅外成像跟蹤系統(tǒng)是一種集光、機(jī)、電為一體的平臺(tái)系統(tǒng)，其主要功能是對(duì)紅外目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定成像與跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
臺(tái)體采用三自由度框架式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)、俯仰及方位軸上的運(yùn)動(dòng)。紅外成像組件安裝在臺(tái)體上，用來(lái)敏感目標(biāo)和背景的紅外紅輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送給信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路在實(shí)時(shí)圖像中區(qū)分目標(biāo)和背景，截獲目標(biāo)，跟蹤目標(biāo)圖像，將跟蹤誤差信號(hào)送至平臺(tái)控制電路，同時(shí)將圖像信號(hào)送入顯示器實(shí)時(shí)顯示。平臺(tái)控制電路根據(jù)目標(biāo)角誤差信號(hào)形成控制信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)，保證穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)并使目標(biāo)成像位于圖像的中心。速率陀螺和電位計(jì)敏感臺(tái)體的運(yùn)動(dòng)，并將臺(tái)體運(yùn)動(dòng)的速度和位置信息反饋回平臺(tái)控制電路，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。除臺(tái)體及安裝在臺(tái)體上的電機(jī)、速率陀螺、電位計(jì)和紅外成像組件外，整套系統(tǒng)都安裝在一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為40cm×20cm×20cm的艙體中，所有電源及信號(hào)的走線均位于艙體上下表面的兩個(gè)布線槽中，艙體縱剖面和橫剖面示意圖如圖2所示。在這套系統(tǒng)中，既有高頻信號(hào)電路又有低頻信號(hào)電路，既有強(qiáng)電電路又有弱電電路，既有頻繁開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電路又有對(duì)擾動(dòng)極為敏感的微弱信號(hào)電路，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，若在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮電磁兼容性，系統(tǒng)的性能勢(shì)必會(huì)受到電磁干擾的影響而大打折扣，甚至不能正常工作。
3 系統(tǒng)電磁環(huán)境分析
理論和實(shí)踐的研究證明，不管復(fù)雜系統(tǒng)還是簡(jiǎn)單裝置，任何一個(gè)電磁干擾的發(fā)生必須具備三個(gè)基本條件：首先應(yīng)該具有干擾源，其次是具備干擾傳播途徑，最后必須有被干擾對(duì)象（敏感設(shè)備）的響應(yīng)［1］。因此干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備統(tǒng)稱電磁干擾三要素。在對(duì)文中系統(tǒng)進(jìn)行電磁環(huán)境分析的過(guò)程中，我們更多地將眼光放在系統(tǒng)的層面上，分析各功能電路之間（例如功率放大電路和信號(hào)處理電路之間）的電磁干擾和電磁兼容問(wèn)題。
在本系統(tǒng)中，功率放大器和力矩電機(jī)是很強(qiáng)的電磁干擾源。
本系統(tǒng)是一個(gè)高精度的伺服控制系統(tǒng)，對(duì)定位精度和響應(yīng)速度都有很高的要求，因此功率放大電路部分采用了基于電力電子器件的脈寬調(diào)制型功率放大器，簡(jiǎn)稱pwm功率放大器，它能實(shí)現(xiàn)寬范圍的速度和位置控制并具有優(yōu)良的性能。pwm功率放大器是利用全控型電力電子器件的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，電力電子器件按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”的時(shí)間長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此這種pwm功率放大器又稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。由于pwm功率放大器通過(guò)電力電子器件周期性工作于通斷狀態(tài)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，主回路功率轉(zhuǎn)換電路的高壓切換是無(wú)法避免的，電樞兩端的電壓呈脈沖狀，電壓變化率du/dt的幅度一般都很高，高壓開(kāi)關(guān)脈沖的頻率較高且脈沖前后的邊緣陡峭，產(chǎn)生了豐富的高次波諧波；電機(jī)的電樞電流呈三角形，且在開(kāi)關(guān)切換時(shí)電流變化率di/dt也很大，大脈沖電流引起的磁或電磁的干擾流過(guò)幅值大而且快速變化的電流回路與地形成的環(huán)路，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合，形成嚴(yán)重的干擾，使原先電路未予描述的寄生電容和配線電感對(duì)電路的影響就不能被忽略［3］。功率放大電路產(chǎn)生的諧波和干擾通過(guò)導(dǎo)線和電路的分布電感、分布電容耦合到伺服系統(tǒng)的控制電路邏輯元件和其它系統(tǒng)的輸入端，影響其它電路的穩(wěn)定和正常運(yùn)行。
為了滿足系統(tǒng)對(duì)跟蹤速度的要求，本系統(tǒng)選用了有刷直流力矩電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)臺(tái)體，其正常工作電流約為2安培，堵轉(zhuǎn)電流可以達(dá)到3安培以上。直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，線圈中電流不斷換向，會(huì)造成電磁波輻射，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，輻射電磁波的頻率也會(huì)較高［8］。另外，有刷直流電機(jī)帶有換向器和電刷，轉(zhuǎn)子線圈通過(guò)換向器與電刷和外部電源相連，在高速旋轉(zhuǎn)中，電刷不斷接通和斷開(kāi)，如果電流來(lái)不及反向，瞬間就會(huì)使換向器和電刷之間積聚大量電荷，極易產(chǎn)生電刷電弧，形成火花騷擾，實(shí)質(zhì)是一種時(shí)間間隔很小、不規(guī)則的電流突變。電動(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，當(dāng)切換負(fù)載的供電電源時(shí)，將在電感線圈兩端產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍到數(shù)十倍的高反向電壓?；鸹}擾是寬帶的脈沖騷擾，高反向電壓是前沿很陡的傳導(dǎo)電壓脈沖，它們具有頻譜寬、諧波豐富的特點(diǎn)，在幾十兆赫到上千兆赫的頻率范圍中都有很強(qiáng)的輻射騷擾［9］。這些雜散的電磁波沿電機(jī)外殼，電源線及雜散電感雜散電容進(jìn)行輻射和傳播，對(duì)電磁環(huán)境造成污染，影響到其它設(shè)備的正常運(yùn)行。
被干擾對(duì)象分析：在本系統(tǒng)中，小信號(hào)電路主要有紅外成像組件輸出的模擬視頻信號(hào)和敏感臺(tái)體運(yùn)動(dòng)的傳感器信號(hào)。本系統(tǒng)采用的紅外成像組件的輸出電壓量級(jí)約為數(shù)百毫伏，在臺(tái)體位置偏離角度和臺(tái)體運(yùn)動(dòng)角速度不大的情況下，電位計(jì)和陀螺儀的輸出信號(hào)也是小信號(hào)，這些小信號(hào)極易受到干擾，影響到跟蹤的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。電路易受干擾程度的定量描述可以用敏感度來(lái)表示，敏感度越高，則電路的敏感電平越低，抗干擾能力越差。模擬電路系統(tǒng)和數(shù)字電路系統(tǒng)的最大敏感度指數(shù)定義參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［6］。
耦合是干擾源與敏感設(shè)備之間的通道，耦合的形式有直接耦合、電磁感應(yīng)耦合和輻射耦合三種。在本系統(tǒng)中，信號(hào)處理電路、平臺(tái)控制電路、功率放大電路、電機(jī)和傳感器之間存在信號(hào)線的直接互連關(guān)系。一些電路之間也存在有公共阻抗，同時(shí)功率放大電路中的電力電子器件工作中高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)的f/d噪聲電流會(huì)引起地線的跳躍，干擾數(shù)字電路的電平，
電機(jī)電刷的火花放電引起的電平波動(dòng)通過(guò)電源線和地線向外傳播，這些因素形成了干擾源和敏感設(shè)備之間的直接耦合通道。系統(tǒng)中高頻信號(hào)和低頻信號(hào)并存，強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)并存，開(kāi)關(guān)信號(hào)和敏感信號(hào)并存，所有這些信號(hào)的走線都匯總到布線槽走出后連接到臺(tái)體上的電位計(jì)、陀螺、電機(jī)和紅外成像組件。由于系統(tǒng)的小型化程度和集成度較高，可用于走線的空間有限，因此這些信號(hào)線之間不可避免地存在有并行接近的情況，互相之間形成電磁感應(yīng)耦合，造成了大信號(hào)對(duì)小信號(hào)的干擾和高頻信號(hào)對(duì)低頻信號(hào)的干擾。艙體空間不僅限制了各電路板的大小，使得pcb走線間距不可能很大，而且也使各電路板相互接近，增大了走線與走線之間、走線與元器件之間以及各電路之間的分布參數(shù)，這些分布參數(shù)增強(qiáng)了系統(tǒng)內(nèi)部的輻射耦合，形成了輻射耦合通道。
在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步聯(lián)調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)以下問(wèn)題：
?。?）pwm波形品質(zhì)不好
在功率放大器輸出pwm波形的低電平部分出現(xiàn)間歇性的干擾噪聲，表現(xiàn)為出現(xiàn)頻率較為固定的不規(guī)則毛刺，伴隨噪聲的出現(xiàn)往往能聽(tīng)到力矩電機(jī)電刷打火出現(xiàn)的“茲茲”聲，同時(shí)電機(jī)的輸出力矩減小。當(dāng)毛刺幅值較大且出現(xiàn)頻繁時(shí)，電機(jī)的輸出力矩?fù)p失非常大。
?。?）圖像閃白
在對(duì)模擬目標(biāo)進(jìn)行圓周跟蹤的過(guò)程中，顯示器圖像出現(xiàn)閃白現(xiàn)象，表現(xiàn)為圖像中有閃爍的亮點(diǎn)和多條不規(guī)則的橫向條紋，圖像的清晰度降低，隨著跟蹤速度的提高，閃白現(xiàn)象更加嚴(yán)重且頻繁出現(xiàn)。不但給圖像處理帶來(lái)困難，而且影響跟蹤的穩(wěn)定性，必須采取合適的抗電磁干擾措施。
?。?）跟蹤不穩(wěn)定
當(dāng)跟蹤速度加快時(shí)，平臺(tái)在俯仰軸和方位軸上出現(xiàn)間歇性的抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像隨之抖動(dòng)。該系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，圖像的抖動(dòng)又加劇了平臺(tái)框架的抖動(dòng)。跟蹤速度越快，抖動(dòng)越頻繁，抖動(dòng)幅度也越劇烈，當(dāng)跟蹤速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，已不能保證圖像時(shí)刻位于視場(chǎng)的中央，平臺(tái)框架的抖動(dòng)有時(shí)會(huì)造成圖像突然逸出視場(chǎng)，逸出速度超出了系統(tǒng)的最大跟蹤速度，導(dǎo)致跟蹤過(guò)程丟失目標(biāo)。
4 電磁干擾抑制技術(shù)
電磁干擾抑制技術(shù)就是圍繞電磁干擾三要素，根據(jù)具體情況，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，歸納起來(lái)就是三條：一是抑制電磁干擾源；二是切斷電磁干擾耦合途徑；三是降低電磁敏感設(shè)備的敏感性。根據(jù)電磁兼容理論和對(duì)本系統(tǒng)電磁環(huán)境的分析，我們分別對(duì)干擾源、干擾耦合途徑和敏感設(shè)備采取了以下措施：
?。?）抑制干擾源
根據(jù)功放輸出pwm波形干擾噪聲和電機(jī)電刷打火在時(shí)間上的同步性，判斷對(duì)pwm波形干擾是由電機(jī)電刷打火造成的。為此，我們?cè)陔姍C(jī)電刷之間加了一個(gè)起濾波作用的瓷片電容，如圖3所示，瓷片電容的容值一般可選10nf或100nf。
為了抑制pwm功率放大器功率轉(zhuǎn)換電路中電力電子器件開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的di/dt、du/dt和電壓、電流浪涌，降低電路尖峰噪聲對(duì)其它電路的影響，我們?yōu)閜wm功率放大器設(shè)計(jì)了rc緩沖網(wǎng)絡(luò)（rcsnubbernetwork），如圖4所示。緩沖網(wǎng)絡(luò)改變了電力電子器件的開(kāi)關(guān)軌跡，減小了di/dt、du/dt和電壓、電流浪涌，起到了抑制干擾的作用［3］。緩沖網(wǎng)絡(luò)中的電阻應(yīng)選用功率電阻，一般選用功率1w以上、阻值為一百至數(shù)百歐的電阻就能滿足要求。根據(jù)本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電壓和功率要求，這里選用了1w/100ω的功率電阻。電容容值的選取也有一定的規(guī)則，若容值太小，則對(duì)干擾的吸收作用不明顯，若容值太大，又會(huì)使緩沖網(wǎng)絡(luò)中電阻消耗的能量增加，如果所選電阻的額定功率不夠大，有可能燒壞電阻。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，功率電阻選用1w/100ω時(shí)，電容容值應(yīng)小于100nf，這里選用了1nf的多層陶瓷電容，也可根據(jù)實(shí)際濾波效果選擇更大容值的電容。
系統(tǒng)中功率放大電路pcb的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常值得討論的問(wèn)題，因?yàn)樵诠β史糯箅娐分?，不僅大功率信號(hào)眾多，而且信號(hào)電壓和電流都比較大（本系統(tǒng)中pwm功率放大器輸出的高低電壓分別為27v和0v，輸出電流達(dá)到了2安培以上）。除此之外，功率放大器輸出信號(hào)還具有很高的di/dt、du/dt及浪涌電壓、浪涌電流，若不對(duì)pcb布局和走線進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，有可能會(huì)對(duì)其它電路造成較大的電磁干擾，甚至連自身的正常工作都變得不可能。根據(jù)筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該pcb進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，提高了電路性能。這些設(shè)計(jì)包括：
盡量采用多層電路板。這里功率放大電路部分pcb采用了四層板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了單獨(dú)的電源層和地層，并采用單點(diǎn)接地。這樣做有諸多好處：有利于減小信號(hào)環(huán)路面積；有利于增強(qiáng)pcb的電磁屏蔽效果；有利于增加大信號(hào)走線的間距。如果板上器件密度足夠低的話，甚至可以將pcb的上下表面均作為地平面，中間兩層作為信號(hào)層和電源層，信號(hào)層上的電源用寬線走線，這可使電源電流的路徑阻抗較低，而信號(hào)路徑的阻抗也較低，增強(qiáng)了對(duì)電磁干擾的抑制效果［1］。
不同的功能電路應(yīng)分區(qū)布局，模擬電路和數(shù)字電路分區(qū)布局，盡量減少信號(hào)交連。大信號(hào)電路和小信號(hào)電路分區(qū)布局，盡量減少它們之間的耦合。
在布線時(shí)，應(yīng)注意盡量減小信號(hào)環(huán)路面積，盡量增加信號(hào)線間的走線間距，特別是大信號(hào)與小信號(hào)，開(kāi)關(guān)信號(hào)與模擬信號(hào)之間的走線間距。同時(shí)大信號(hào)用寬線走線，減小走線長(zhǎng)度，避免兩個(gè)信號(hào)線之間出現(xiàn)大段平行，以減小互感。功率放大器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)盡量不要出現(xiàn)平行走線。
?。?）切斷干擾耦合通道
本系統(tǒng)中電機(jī)及pwm功率放大電路是最大的電磁干擾源。首先，合理安排各電路板在艙內(nèi)的位置和間距，功率放大電路板盡量遠(yuǎn)離其它電路。其次，采用dc/dc模塊為功放和電機(jī)電路設(shè)計(jì)了單獨(dú)的電源和地系統(tǒng)。避免它們產(chǎn)生的干擾通過(guò)電源線和地線直接耦合到敏感設(shè)備中去。另外，通過(guò)光耦在信號(hào)處理電路和平臺(tái)控制電路、平臺(tái)控制電路和功率放大電路之間進(jìn)行信號(hào)傳輸，以阻斷不同電路間的電氣聯(lián)系，隔離噪聲和干擾。功率放大電路和其它電路信號(hào)的走線分別布置在艙體上不同的布線槽中，特別是功放輸出信號(hào)和模擬視頻信號(hào)、臺(tái)體運(yùn)動(dòng)傳感器輸出信號(hào)一定要分開(kāi)布線，以減小它們之間的電磁耦合。即使如此，在艙體和臺(tái)體的連接部分，各走線必然還是要匯聚到一起，因此有必要對(duì)各信號(hào)線進(jìn)行電磁屏蔽處理。在這套系統(tǒng)里，我們?cè)诟餍盘?hào)線外面都加上了金屬絲網(wǎng)屏蔽套，并對(duì)屏蔽層進(jìn)行單端接地。最后，在電機(jī)的輸入線上串接共模扼流圈，并采取雙絞走線的形式，以減弱電機(jī)的電磁干擾。
在電路板上，不同類別的信號(hào)盡量采用不同的連接器，尤其是弱信號(hào)線不能與強(qiáng)信號(hào)線和電源線共用同一連接器。當(dāng)不同類信號(hào)共用同一連接器時(shí)，要有足夠多的接地插針來(lái)隔離不同類別的信號(hào)。為保證屏蔽的連續(xù)性，不同類別信號(hào)線的屏蔽層應(yīng)分別接到不同的插針上［2］。
?。?）減小敏感設(shè)備的敏感性
本系統(tǒng)的敏感設(shè)備主要有圖像處理電路和傳感器信號(hào)處理電路，對(duì)這些電路采取了以下措施以減小電路對(duì)電磁干擾的敏感性：選擇低噪聲放大器件和低噪聲阻容元件；在滿足系統(tǒng)要求的情況下盡量降低系統(tǒng)的帶寬；選用低噪聲電源并采取電源濾波、紋波抑制等措施；合理設(shè)計(jì)接地和電路布線；采取隔離電源、光耦等隔離去耦技術(shù)［2］；小信號(hào)采用雙絞線差分傳輸或同軸電纜單端傳輸方式。
采取以上措施后，系統(tǒng)的電磁兼容性得到了大幅提高，功率放大器輸出pwm波形的品質(zhì)得到明顯改善，毛刺噪聲消失；圖像閃白問(wèn)題和跟蹤不穩(wěn)定問(wèn)題也得到了很好解決，系統(tǒng)即使在最大跟蹤速度下仍能穩(wěn)定跟蹤并輸出高質(zhì)量的目標(biāo)圖像。
5 結(jié)束語(yǔ)
在高精度伺服控制系統(tǒng)中，大多采用基于電力電子器件的脈寬調(diào)制型功率放大器，電磁兼容問(wèn)題在這里是一個(gè)非常值得關(guān)注的問(wèn)題，只有綜合運(yùn)用電磁兼容理論中的接地、濾波和屏蔽等多種技術(shù)手段，才能確保集成度日益提高的電子系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行并具有良好的性能。