紅外成像跟蹤系統中的電磁兼容問(wèn)題研究

　?。?）跟蹤不穩定

　　當跟蹤速度加快時(shí)，平臺在俯仰軸和方位軸上出現間歇性的抖動(dòng)現象，導致圖像隨之抖動(dòng)。該系統是一個(gè)閉環(huán)跟蹤系統，圖像的抖動(dòng)又加劇了平臺框架的抖動(dòng)。跟蹤速度越快，抖動(dòng)越頻繁，抖動(dòng)幅度也越劇烈，當跟蹤速度達到一定數值時(shí)，已不能保證圖像時(shí)刻位于視場(chǎng)的中央，平臺框架的抖動(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的最大跟蹤速度，導致跟蹤過(guò)程丟失目標。

　　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，根據具體情況，有針對性地采取相應措施，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備的敏感性。根據電磁兼容理論和對本系統電磁環(huán)境的分析，我們分別對干擾源、干擾耦合途徑和敏感設備采取了以下措施：

　?。?）抑制干擾源

　　根據功放輸出pwm波形干擾噪聲和電機電刷打火在時(shí)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(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其它電路的影響，我們?yōu)閜wm功率放大器設計了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(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 )中的電阻應選用功率電阻，一般選用功率1w以上、阻值為一百至數百歐的電阻就能滿(mǎn)足要求。根據本系統電機驅動(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(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)驗驗證，功率電阻選用1w/100ω時(shí)，電容容值應小于100nf，這里選用了1nf的多層陶瓷電容，也可根據實(shí)際濾波效果選擇更大容值的電容。

　　系統中功率放大電路pcb的設計是一個(gè)非常值得討論的問(wèn)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(xiàn)進(jìn)行精心設計，有可能會(huì )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。根據筆者的設計經(jīng)驗，對該pcb進(jìn)行了電磁兼容性設計，提高了電路性能。這些設計包括：

　　盡量采用多層電路板。這里功率放大電路部分pcb采用了四層板結構，設計了單獨的電源層和地層，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(xiàn)的間距。如果板上器件密度足夠低的話(huà)，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(xiàn)走線(xiàn)，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］。

　　不同的功能電路應分區布局，模擬電路和數字電路分區布局，盡量減少信號交連。大信號電路和小信號電路分區布局，盡量減少它們之間的耦合。

　　在布線(xiàn)時(shí)，應注意盡量減小信號環(huán)路面積，盡量增加信號線(xiàn)間的走線(xiàn)間距，特別是大信號與小信號，開(kāi)關(guān)信號與模擬信號之間的走線(xiàn)間距。同時(shí)大信號用寬線(xiàn)走線(xiàn)，減小走線(xiàn)長(cháng)度，避免兩個(gè)信號線(xiàn)之間出現大段平行，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平行走線(xiàn)。

　?。?）切斷干擾耦合通道

　　本系統中電機及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計了單獨的電源和地系統。避免它們產(chǎn)生的干擾通過(guò)電源線(xiàn)和地線(xiàn)直接耦合到敏感設備中去。另外，通過(guò)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(jìn)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(xiàn)分別布置在艙體上不同的布線(xiàn)槽中，特別是功放輸出信號和模擬視頻信號、臺體運動(dòng)傳感器輸出信號一定要分開(kāi)布線(xiàn)，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(xiàn)必然還是要匯聚到一起，因此有必要對各信號線(xiàn)進(jìn)行電磁屏蔽處理。在這套系統里，我們在各信號線(xiàn)外面都加上了金屬絲網(wǎng)屏蔽套，并對屏蔽層進(jìn)行單端接地。最后，在電機的輸入線(xiàn)上串接共模扼流圈，并采取雙絞走線(xiàn)的形式，以減弱電機的電磁干擾。

　　在電路板上，不同類(lèi)別的信號盡量采用不同的連接器，尤其是弱信號線(xiàn)不能與強信號線(xiàn)和電源線(xiàn)共用同一連接器。當不同類(lèi)信號共用同一連接器時(shí)，要有足夠多的接地插針來(lái)隔離不同類(lèi)別的信號。為保證屏蔽的連續性，不同類(lèi)別信號線(xiàn)的屏蔽層應分別接到不同的插針上［2］。

　?。?）減小敏感設備的敏感性

　　本系統的敏感設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(mǎn)足系統要求的情況下盡量降低系統的帶寬；選用低噪聲電源并采取電源濾波、紋波抑制等措施；合理設計接地和電路布線(xiàn)；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(xiàn)差分傳輸或同軸電纜單端傳輸方式。

　　采取以上措施后，系統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)題和跟蹤不穩定問(wèn)題也得到了很好解決，系統即使在最大跟蹤速度下仍能穩定跟蹤并輸出高質(zhì)量的目標圖像。

　　5 結束語(yǔ)

　　在高精度伺服控制系統中，大多采用基于電力電子器件的脈寬調制型功率放大器，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在復雜的電磁環(huán)境中正常運行并具有良好的性能。