紅外成像跟蹤系統(tǒng)中的電磁兼容問題研究

　　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)行過程中的電磁兼容問題進(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(gè)固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時(shí)間長(zhǎng)短，通過改變直流伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此這種pwm功率放大器又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(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(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。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(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(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困難，而且影響跟蹤的穩(wěn)定性，必須采取合適