红外成像跟踪系统中的电磁兼容问题研究

　　（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。