1 引言
電磁兼容（electro magnetic compatibility，emc）是一門以電磁場理論為基礎(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，電機及其控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種將電機、功率電子、微電子融為一體的綜合性自動化系統(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)備的正常運行，是一個需要深入研究的課題。本文以某種紅外成像跟蹤系統(tǒng)為研究對象，對其電磁環(huán)境進行了分析，并對其設(shè)計和運行過程中的電磁兼容問題進行了研究與改進，解決了圖像傳輸和目標(biāo)跟蹤的不穩(wěn)定問題。
2 紅外成像跟蹤系統(tǒng)簡介
紅外成像跟蹤系統(tǒng)是一種集光、機、電為一體的平臺系統(tǒng)，其主要功能是對紅外目標(biāo)進行穩(wěn)定成像與跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
臺體采用三自由度框架式結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)、俯仰及方位軸上的運動。紅外成像組件安裝在臺體上，用來敏感目標(biāo)和背景的紅外紅輻射并轉(zhuǎn)換為電信號送給信號處理電路。信號處理電路在實時圖像中區(qū)分目標(biāo)和背景，截獲目標(biāo)，跟蹤目標(biāo)圖像，將跟蹤誤差信號送至平臺控制電路，同時將圖像信號送入顯示器實時顯示。平臺控制電路根據(jù)目標(biāo)角誤差信號形成控制信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動臺體轉(zhuǎn)動，保證穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)并使目標(biāo)成像位于圖像的中心。速率陀螺和電位計敏感臺體的運動，并將臺體運動的速度和位置信息反饋回平臺控制電路，實現(xiàn)閉環(huán)控制。除臺體及安裝在臺體上的電機、速率陀螺、電位計和紅外成像組件外，整套系統(tǒng)都安裝在一個長寬高分別為40cm×20cm×20cm的艙體中，所有電源及信號的走線均位于艙體上下表面的兩個布線槽中，艙體縱剖面和橫剖面示意圖如圖2所示。在這套系統(tǒng)中，既有高頻信號電路又有低頻信號電路，既有強電電路又有弱電電路，既有頻繁開關(guān)動作的電路又有對擾動極為敏感的微弱信號電路，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，若在設(shè)計時不考慮電磁兼容性，系統(tǒng)的性能勢必會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
理論和實踐的研究證明，不管復(fù)雜系統(tǒng)還是簡單裝置，任何一個電磁干擾的發(fā)生必須具備三個基本條件：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。在對文中系統(tǒng)進行電磁環(huán)境分析的過程中，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處理電路之間）的電磁干擾和電磁兼容問題。
在本系統(tǒng)中，功率放大器和力矩電機是很強的電磁干擾源。
本系統(tǒng)是一個高精度的伺服控制系統(tǒng)，對定位精度和響應(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，簡稱pwm功率放大器，它能實現(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關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，電力電子器件按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時間長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，因此這種pwm功率放大器又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。由于pwm功率放大器通過電力電子器件周期性工作于通斷狀態(tài)來控制電機轉(zhuǎn)速，主回路功率轉(zhuǎn)換電路的高壓切換是無法避免的，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；電機的電樞電流呈三角形，且在開關(guān)切換時電流變化率di/dt也很大，大脈沖電流引起的磁或電磁的干擾流過幅值大而且快速變化的電流回路與地形成的環(huán)路，就會產(chǎn)生磁場耦合，形成嚴重的干擾，使原先電路未予描述的寄生電容和配線電感對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)定和正常運行。
為了滿足系統(tǒng)對跟蹤速度的要求，本系統(tǒng)選用了有刷直流力矩電機來驅(qū)動臺體，其正常工作電流約為2安培，堵轉(zhuǎn)電流可以達到3安培以上。直流電機在運轉(zhuǎn)過程中，線圈中電流不斷換向，會造成電磁波輻射，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速很高時，輻射電磁波的頻率也會較高［8］。另外，有刷直流電機帶有換向器和電刷，轉(zhuǎn)子線圈通過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，如果電流來不及反向，瞬間就會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，實質(zhì)是一種時間間隔很小、不規(guī)則的電流突變。電動機為感性負載，當(dāng)切換負載的供電電源時，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。火花騷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，在幾十兆赫到上千兆赫的頻率范圍中都有很強的輻射騷擾［9］。這些雜散的電磁波沿電機外殼，電源線及雜散電感雜散電容進行輻射和傳播，對電磁環(huán)境造成污染，影響到其它設(shè)備的正常運行。
被干擾對象分析：在本系統(tǒng)中，小信號電路主要有紅外成像組件輸出的模擬視頻信號和敏感臺體運動的傳感器信號。本系統(tǒng)采用的紅外成像組件的輸出電壓量級約為數(shù)百毫伏，在臺體位置偏離角度和臺體運動角速度不大的情況下，電位計和陀螺儀的輸出信號也是小信號，這些小信號極易受到干擾，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)定義參見參考文獻［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，信號處理電路、平臺控制電路、功率放大電路、電機和傳感器之間存在信號線的直接互連關(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)換時的f/d噪聲電流會引起地線的跳躍，干擾數(shù)字電路的電平，
電機電刷的火花放電引起的電平波動通過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)中高頻信號和低頻信號并存，強電信號和弱電信號并存，開關(guān)信號和敏感信號并存，所有這些信號的走線都匯總到布線槽走出后連接到臺體上的電位計、陀螺、電機和紅外成像組件。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，造成了大信號對小信號的干擾和高頻信號對低頻信號的干擾。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)增強了系統(tǒng)內(nèi)部的輻射耦合，形成了輻射耦合通道。
在對系統(tǒng)進行初步聯(lián)調(diào)時，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)以下問題：
（1）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)往往能聽到力矩電機電刷打火出現(xiàn)的“茲茲”聲，同時電機的輸出力矩減小。當(dāng)毛刺幅值較大且出現(xiàn)頻繁時，電機的輸出力矩損失非常大。
?。?）圖像閃白
在對模擬目標(biāo)進行圓周跟蹤的過程中，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)象更加嚴重且頻繁出現(xiàn)。不但給圖像處理帶來困難，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，平臺在俯仰軸和方位軸上出現(xiàn)間歇性的抖動現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像隨之抖動。該系統(tǒng)是一個閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，圖像的抖動又加劇了平臺框架的抖動。跟蹤速度越快，抖動越頻繁，抖動幅度也越劇烈，當(dāng)跟蹤速度達到一定數(shù)值時，已不能保證圖像時刻位于視場的中央，平臺框架的抖動有時會造成圖像突然逸出視場，逸出速度超出了系統(tǒng)的最大跟蹤速度，導(dǎo)致跟蹤過程丟失目標(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，有針對性地采取相應(yīng)措施，歸納起來就是三條：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)電磁兼容理論和對本系統(tǒng)電磁環(huán)境的分析，我們分別對干擾源、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電刷打火在時間上的同步性，判斷對pwm波形干擾是由電機電刷打火造成的。為此，我們在電機電刷之間加了一個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關(guān)時產(chǎn)生的di/dt、du/dt和電壓、電流浪涌，降低電路尖峰噪聲對其它電路的影響，我們?yōu)閜wm功率放大器設(shè)計了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)電機驅(qū)動的電壓和功率要求，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，則對干擾的吸收作用不明顯，若容值太大，又會使緩沖網(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)過實驗驗證，功率電阻選用1w/100ω時，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)計是一個非常值得討論的問題，因為在功率放大電路中，不僅大功率信號眾多，而且信號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，輸出電流達到了2安培以上）。除此之外，功率放大器輸出信號還具有很高的di/dt、du/dt及浪涌電壓、浪涌電流，若不對pcb布局和走線進行精心設(shè)計，有可能會對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)計經(jīng)驗，對該pcb進行了電磁兼容性設(shè)計，提高了電路性能。這些設(shè)計包括：
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)計了單獨的電源層和地層，并采用單點接地。這樣做有諸多好處：有利于減小信號環(huán)路面積；有利于增強pcb的電磁屏蔽效果；有利于增加大信號走線的間距。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，中間兩層作為信號層和電源層，信號層上的電源用寬線走線，這可使電源電流的路徑阻抗較低，而信號路徑的阻抗也較低，增強了對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，盡量減少信號交連。大信號電路和小信號電路分區(qū)布局，盡量減少它們之間的耦合。
在布線時，應(yīng)注意盡量減小信號環(huán)路面積，盡量增加信號線間的走線間距，特別是大信號與小信號，開關(guān)信號與模擬信號之間的走線間距。同時大信號用寬線走線，減小走線長度，避免兩個信號線之間出現(xiàn)大段平行，以減小互感。功率放大器的輸入信號與輸出信號盡量不要出現(xiàn)平行走線。
（2）切斷干擾耦合通道
本系統(tǒng)中電機及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離其它電路。其次，采用dc/dc模塊為功放和電機電路設(shè)計了單獨的電源和地系統(tǒng)。避免它們產(chǎn)生的干擾通過電源線和地線直接耦合到敏感設(shè)備中去。另外，通過光耦在信號處理電路和平臺控制電路、平臺控制電路和功率放大電路之間進行信號傳輸，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和模擬視頻信號、臺體運動傳感器輸出信號一定要分開布線，以減小它們之間的電磁耦合。即使如此，在艙體和臺體的連接部分，各走線必然還是要匯聚到一起，因此有必要對各信號線進行電磁屏蔽處理。在這套系統(tǒng)里，我們在各信號線外面都加上了金屬絲網(wǎng)屏蔽套，并對屏蔽層進行單端接地。最后，在電機的輸入線上串接共模扼流圈，并采取雙絞走線的形式，以減弱電機的電磁干擾。
在電路板上，不同類別的信號盡量采用不同的連接器，尤其是弱信號線不能與強信號線和電源線共用同一連接器。當(dāng)不同類信號共用同一連接器時，要有足夠多的接地插針來隔離不同類別的信號。為保證屏蔽的連續(xù)性，不同類別信號線的屏蔽層應(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處理電路，對這些電路采取了以下措施以減小電路對電磁干擾的敏感性：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；圖像閃白問題和跟蹤不穩(wěn)定問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
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，電磁兼容問題在這里是一個非常值得關(guān)注的問題，只有綜合運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)境中正常運行并具有良好的性能。