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，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。

　?。?）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］。

　　（3）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。