紅外成像跟蹤系統(tǒng)中的電磁兼容問題研究

　?。?）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(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(gè)非常值得關(guān)注的問題，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。