1 引言

　　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)。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(guò)程中的電磁兼容問(wèn)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(wèn)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。

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　　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(lái)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(kāi)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。

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　　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(chēng)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(guò)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(wèn)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(chēng)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(kāi)關(guān)特性來(lái)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(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”的時(shí)間長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)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(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。由于pwm功率放大器通過(guò)電力電子器件周期性工作于通斷狀態(tài)來(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)，如果電流來(lái)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(kāi)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。