红外成像跟踪系统中的电磁兼容问题研究

1 引言
   　　电磁兼容（electro magnetic compatibility，emc）是一门以电磁场理论为基础，包含了信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘学科，也是一门研究在有限的空间、时间和频率资源条件下，各种电工电子设备或系统在同一电磁环境中可以相互兼容而不致引起其性能降低的应用科学技术［1］。随着大规模集成电路和电力电子技术的飞速发展，电机及其控制系统已经成为一种将电机、功率电子、微电子融为一体的综合性自动化系统，也使系统电磁环境的复杂性成倍增加。在这种复杂的电磁环境中，如何尽量减小各设备间的电磁影响，保证系统和各设备的正常运行，是一个需要深入研究的课题。本文以某种红外成像跟踪系统为研究对象，对其电磁环境进行了分析，并对其设计和运行过程中的电磁兼容问题进行了研究与改进，解决了图像传输和目标跟踪的不稳定问题。
   2 红外成像跟踪系统简介
   　　红外成像跟踪系统是一种集光、机、电为一体的平台系统，其主要功能是对红外目标进行稳定成像与跟踪系统结构框图如图1所示。
   
   　　台体采用三自由度框架式结构，可以实现滚转、俯仰及方位轴上的运动。红外成像组件安装在台体上，用来敏感目标和背景的红外红辐射并转换为电信号送给信号处理电路。信号处理电路在实时图像中区分目标和背景，截获目标，跟踪目标图像，将跟踪误差信号送至平台控制电路，同时将图像信号送入显示器实时显示。平台控制电路根据目标角误差信号形成控制信号，经功率放大后驱动台体转动，保证稳定跟踪目标并使目标成像位于图像的中心。速率陀螺和电位计敏感台体的运动，并将台体运动的速度和位置信息反馈回平台控制电路，实现闭环控制。除台体及安装在台体上的电机、速率陀螺、电位计和红外成像组件外，整套系统都安装在一个长宽高分别为40cm×20cm×20cm的舱体中，所有电源及信号的走线均位于舱体上下表面的两个布线槽中，舱体纵剖面和横剖面示意图如图2所示。在这套系统中，既有高频信号电路又有低频信号电路，既有强电电路又有弱电电路，既有频繁开关动作的电路又有对扰动极为敏感的微弱信号电路，电磁环境比较复杂，若在设计时不考虑电磁兼容性，系统的性能势必会受到电磁干扰的影响而大打折扣，甚至不能正常工作。
   
   3 系统电磁环境分析
   　　理论和实践的研究证明，不管复杂系统还是简单装置，任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：首先应该具有干扰源，其次是具备干扰传播途径，最后必须有被干扰对象（敏感设备）的响应［1］。因此干扰源、传播途径和敏感设备统称电磁干扰三要素。在对文中系统进行电磁环境分析的过程中，我们更多地将眼光放在系统的层面上，分析各功能电路之间（例如功率放大电路和信号处理电路之间）的电磁干扰和电磁兼容问题。
   　　在本系统中，功率放大器和力矩电机是很强的电磁干扰源。
   　　本系统是一个高精度的伺服控制系统，对定位精度和响应速度都有很高的要求，因此功率放大电路部分采用了基于电力电子器件的脉宽调制型功率放大器，简称pwm功率放大器，它能实现宽范围的速度和位置控制并具有优良的性能。pwm功率放大器是利用全控型电力电子器件的开关特性来调制固定电压的直流电源，电力电子器件按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的时间长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此这种pwm功率放大器又称为“开关驱动装置”。由于pwm功率放大器通过电力电子器件周期性工作于通断状态来控制电机转速，主回路功率转换电路的高压切换是无法避免的，电枢两端的电压呈脉冲状，电压变化率du/dt的幅度一般都很高，高压开关脉冲的频率较高且脉冲前后的边缘陡峭，产生了丰富的高次波谐波；电机的电枢电流呈三角形，且在开关切换时电流变化率di/dt也很大，大脉冲电流引起的磁或电磁的干扰流过幅值大而且快速变化的电流回路与地形成的环路，就会产生磁场耦合，形成严重的干扰，使原先电路未予描述的寄生电容和配线电感对电路的影响就不能被忽略［3］。功率放大电路产生的谐波和干扰通过导线和电路的分布电感、分布电容耦合到伺服系统的控制电路逻辑元件和其它系统的输入端，影响其它电路的稳定和正常运行。
   　　为了满足系统对跟踪速度的要求，本系统选用了有刷直流力矩电机来驱动台体，其正常工作电流约为2安培，堵转电流可以达到3安培以上。直流电机在运转过程中，线圈中电流不断换向，会造成电磁波辐射，当电机转速很高时，辐射电磁波的频率也会较高［8］。另外，有刷直流电机带有换向器和电刷，转子线圈通过换向器与电刷和外部电源相连，在高速旋转中，电刷不断接通和断开，如果电流来不及反向，瞬间就会使换向器和电刷之间积聚大量电荷，极易产生电刷电弧，形成火花骚扰，实质是一种时间间隔很小、不规则的电流突变。电动机为感性负载，当切换负载的供电电源时，将在电感线圈两端产生高于电源电压数倍到数十倍的高反向电压。火花骚扰是宽带的脉冲骚扰，高反向电压是前沿很陡的传导电压脉冲，它们具有频谱宽、谐波丰富的特点，在几十兆赫到上千兆赫的频率范围中都有很强的辐射骚扰［9］。这些杂散的电磁波沿电机外壳，电源线及杂散电感杂散电容进行辐射和传播，对电磁环境造成污染，影响到其它设备的正常运行。
   
   　　被干扰对象分析：在本系统中，小信号电路主要有红外成像组件输出的模拟视频信号和敏感台体运动的传感器信号。本系统采用的红外成像组件的输出电压量级约为数百毫伏，在台体位置偏离角度和台体运动角速度不大的情况下，电位计和陀螺仪的输出信号也是小信号，这些小信号极易受到干扰，影响到跟踪的稳定性，甚至导致系统不能正常工作。电路易受干扰程度的定量描述可以用敏感度来表示，敏感度越高，则电路的敏感电平越低，抗干扰能力越差。模拟电路系统和数字电路系统的最大敏感度指数定义参见参考文献［6］。
   　　耦合是干扰源与敏感设备之间的通道，耦合的形式有直接耦合、电磁感应耦合和辐射耦合三种。在本系统中，信号处理电路、平台控制电路、功率放大电路、电机和传感器之间存在信号线的直接互连关系。一些电路之间也存在有公共阻抗，同时功率放大电路中的电力电子器件工作中高低电平转换时的f/d噪声电流会引起地线的跳跃，干扰数字电路的电平，
   　　电机电刷的火花放电引起的电平波动通过电源线和地线向外传播，这些因素形成了干扰源和敏感设备之间的直接耦合通道。系统中高频信号和低频信号并存，强电信号和弱电信号并存，开关信号和敏感信号并存，所有这些信号的走线都汇总到布线槽走出后连接到台体上的电位计、陀螺、电机和红外成像组件。由于系统的小型化程度和集成度较高，可用于走线的空间有限，因此这些信号线之间不可避免地存在有并行接近的情况，互相之间形成电磁感应耦合，造成了大信号对小信号的干扰和高频信号对低频信号的干扰。舱体空间不仅限制了各电路板的大小，使得PCB走线间距不可能很大，而且也使各电路板相互接近，增大了走线与走线之间、走线与元器件之间以及各电路之间的分布参数，这些分布参数增强了系统内部的辐射耦合，形成了辐射耦合通道。
   　　在对系统进行初步联调时，发现系统出现以下问题：
   　　（1）pwm波形品质不好
   　　在功率放大器输出pwm波形的低电平部分出现间歇性的干扰噪声，表现为出现频率较为固定的不规则毛刺，伴随噪声的出现往往能听到力矩电机电刷打火出现的“兹兹”声，同时电机的输出力矩减小。当毛刺幅值较大且出现频繁时，电机的输出力矩损失非常大。
   　　（2）图像闪白
   　　在对模拟目标进行圆周跟踪的过程中，显示器图像出现闪白现象，表现为图像中有闪烁的亮点和多条不规则的横向条纹，图像的清晰度降低，随着跟踪速度的提高，闪白现象更加严重且频繁出现。不但给图像处理带来困难，而且影响跟踪的稳定性，必须采取合适的抗电磁干扰措施。
   　　（3）跟踪不稳定
   　　当跟踪速度加快时，平台在俯仰轴和方位轴上出现间歇性的抖动现象，导致图像随之抖动。该系统是一个闭环跟踪系统，图像的抖动又加剧了平台框架的抖动。跟踪速度越快，抖动越频繁，抖动幅度也越剧烈，当跟踪速度达到一定数值时，已不能保证图像时刻位于视场的中央，平台框架的抖动有时会造成图像突然逸出视场，逸出速度超出了系统的最大跟踪速度，导致跟踪过程丢失目标。
   4 电磁干扰抑制技术
   　　电磁干扰抑制技术就是围绕电磁干扰三要素，根据具体情况，有针对性地采取相应措施，归纳起来就是三条：一是抑制电磁干扰源；二是切断电磁干扰耦合途径；三是降低电磁敏感设备的敏感性。根据电磁兼容理论和对本系统电磁环境的分析，我们分别对干扰源、干扰耦合途径和敏感设备采取了以下措施：
   　　（1）抑制干扰源
   　　根据功放输出pwm波形干扰噪声和电机电刷打火在时间上的同步性，判断对pwm波形干扰是由电机电刷打火造成的。为此，我们在电机电刷之间加了一个起滤波作用的瓷片电容，如图3所示，瓷片电容的容值一般可选10nf或100nf。
   
   　　为了抑制pwm功率放大器功率转换电路中电力电子器件开关时产生的di/dt、du/dt和电压、电流浪涌，降低电路尖峰噪声对其它电路的影响，我们为pwm功率放大器设计了rc缓冲网络（rcsnubbernetwork），如图4所示。缓冲网络改变了电力电子器件的开关轨迹，减小了di/dt、du/dt和电压、电流浪涌，起到了抑制干扰的作用［3］。缓冲网络中的电阻应选用功率电阻，一般选用功率1w以上、阻值为一百至数百欧的电阻就能满足要求。根据本系统电机驱动的电压和功率要求，这里选用了1w/100ω的功率电阻。电容容值的选取也有一定的规则，若容值太小，则对干扰的吸收作用不明显，若容值太大，又会使缓冲网络中电阻消耗的能量增加，如果所选电阻的额定功率不够大，有可能烧坏电阻。经过实验验证，功率电阻选用1w/100ω时，电容容值应小于100nf，这里选用了1nf的多层陶瓷电容，也可根据实际滤波效果选择更大容值的电容。
   
   
   　　系统中功率放大电路pcb的设计是一个非常值得讨论的问题，因为在功率放大电路中，不仅大功率信号众多，而且信号电压和电流都比较大（本系统中pwm功率放大器输出的高低电压分别为27v和0v，输出电流达到了2安培以上）。除此之外，功率放大器输出信号还具有很高的di/dt、du/dt及浪涌电压、浪涌电流，若不对pcb布局和走线进行精心设计，有可能会对其它电路造成较大的电磁干扰，甚至连自身的正常工作都变得不可能。根据笔者的设计经验，对该pcb进行了电磁兼容性设计，提高了电路性能。这些设计包括：
   　　尽量采用多层电路板。这里功率放大电路部分pcb采用了四层板结构，设计了单独的电源层和地层，并采用单点接地。这样做有诸多好处：有利于减小信号环路面积；有利于增强pcb的电磁屏蔽效果；有利于增加大信号走线的间距。如果板上器件密度足够低的话，甚至可以将pcb的上下表面均作为地平面，中间两层作为信号层和电源层，信号层上的电源用宽线走线，这可使电源电流的路径阻抗较低，而信号路径的阻抗也较低，增强了对电磁干扰的抑制效果［1］。
   　　不同的功能电路应分区布局，模拟电路和数字电路分区布局，尽量减少信号交连。大信号电路和小信号电路分区布局，尽量减少它们之间的耦合。
   　　在布线时，应注意尽量减小信号环路面积，尽量增加信号线间的走线间距，特别是大信号与小信号，开关信号与模拟信号之间的走线间距。同时大信号用宽线走线，减小走线长度，避免两个信号线之间出现大段平行，以减小互感。功率放大器的输入信号与输出信号尽量不要出现平行走线。
   　　（2）切断干扰耦合通道
   　　本系统中电机及pwm功率放大电路是最大的电磁干扰源。首先，合理安排各电路板在舱内的位置和间距，功率放大电路板尽量远离其它电路。其次，采用dc/dc模块为功放和电机电路设计了单独的电源和地系统。避免它们产生的干扰通过电源线和地线直接耦合到敏感设备中去。另外，通过光耦在信号处理电路和平台控制电路、平台控制电路和功率放大电路之间进行信号传输，以阻断不同电路间的电气联系，隔离噪声和干扰。功率放大电路和其它电路信号的走线分别布置在舱体上不同的布线槽中，特别是功放输出信号和模拟视频信号、台体运动传感器输出信号一定要分开布线，以减小它们之间的电磁耦合。即使如此，在舱体和台体的连接部分，各走线必然还是要汇聚到一起，因此有必要对各信号线进行电磁屏蔽处理。在这套系统里，我们在各信号线外面都加上了金属丝网屏蔽套，并对屏蔽层进行单端接地。最后，在电机的输入线上串接共模扼流圈，并采取双绞走线的形式，以减弱电机的电磁干扰。
   　　在电路板上，不同类别的信号尽量采用不同的连接器，尤其是弱信号线不能与强信号线和电源线共用同一连接器。当不同类信号共用同一连接器时，要有足够多的接地插针来隔离不同类别的信号。为保证屏蔽的连续性，不同类别信号线的屏蔽层应分别接到不同的插针上［2］。
   　　（3）减小敏感设备的敏感性
   　　本系统的敏感设备主要有图像处理电路和传感器信号处理电路，对这些电路采取了以下措施以减小电路对电磁干扰的敏感性：选择低噪声放大器件和低噪声阻容元件；在满足系统要求的情况下尽量降低系统的带宽；选用低噪声电源并采取电源滤波、纹波抑制等措施；合理设计接地和电路布线；采取隔离电源、光耦等隔离去耦技术［2］；小信号采用双绞线差分传输或同轴电缆单端传输方式。
   　　采取以上措施后，系统的电磁兼容性得到了大幅提高，功率放大器输出pwm波形的品质得到明显改善，毛刺噪声消失；图像闪白问题和跟踪不稳定问题也得到了很好解决，系统即使在最大跟踪速度下仍能稳定跟踪并输出高质量的目标图像。
   5 结束语
   　　在高精度伺服控制系统中，大多采用基于电力电子器件的脉宽调制型功率放大器，电磁兼容问题在这里是一个非常值得关注的问题，只有综合运用电磁兼容理论中的接地、滤波和屏蔽等多种技术手段，才能确保集成度日益提高的电子系统在复杂的电磁环境中正常运行并具有良好的性能。