復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)抗干擾設(shè)計技術(shù)研究

， ， ，，

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)抗干擾設(shè)計技術(shù)研究

歐連軍，趙巖，張翔，王健康，榮剛

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076)

結(jié)合現(xiàn)代飛行器因其功能復(fù)雜，設(shè)備種類和數(shù)量眾多，電氣系統(tǒng)規(guī)模龐大，設(shè)備間連接關(guān)系復(fù)雜，接口信號類型多的特點(diǎn)，針對其較高的抗干擾性能和可靠性要求，系統(tǒng)分析了復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)輻射、電源串?dāng)_、浪涌串?dāng)_等干擾源類型、特性及影響;針對影響電路的傳導(dǎo)、輻射、差模、共模干擾4種干擾模式，提出了可以從源頭抑制提高復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)抗干擾性能的4個方面的設(shè)計方法和注意事項，分別是接地設(shè)計、屏蔽設(shè)計、隔離設(shè)計和濾波設(shè)計;最后，結(jié)合典型案例，分析了某飛行器電氣系統(tǒng)因設(shè)計缺陷存在地信號干擾問題，通過增加隔離措施解決了該干擾問題，并通過了試驗驗證。

抗干擾；電磁兼容；接地設(shè)計

0 引言

在國內(nèi)外各類飛行器電氣系統(tǒng)匹配、總裝甚至發(fā)射飛行過程中，都曾經(jīng)發(fā)生因干擾問題引起的信號采集誤差過大、信號傳輸異常、控制信號誤發(fā)、繼電器誤動作、設(shè)備部分功能異常，甚至火工品誤爆等故障。隨著現(xiàn)代飛行器功能越來越復(fù)雜，飛行器上裝備了各種各樣的計算機(jī)、機(jī)電、火工、載荷、通信、雷達(dá)等電子設(shè)備，飛行器有多種供電母線體制，電氣負(fù)載種類多，工作頻率寬、功率大，電纜網(wǎng)復(fù)雜、密度大，飛行器電氣系統(tǒng)供電電路、信號采集電路、信號傳輸電路、控制電路、驅(qū)動電路可能成為干擾源或被干擾源。因此，抗干擾設(shè)計已經(jīng)成為復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計中一個不容忽視的重要因素。

本文分析了復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)干擾源及干擾的影響模式，并針對干擾模式，分析了在設(shè)計過程中應(yīng)該考慮的設(shè)計因素，并針對某飛行器高壓和低壓配電設(shè)計中的干擾問題，提出了抗干擾設(shè)計解決措施。

1 復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)干擾源分析

飛行器電氣系統(tǒng)一般包括供電、配電、控制、測控通信、伺服機(jī)電等系統(tǒng)，各系統(tǒng)連接關(guān)系復(fù)雜，要做到互相之間沒有干擾，需要付出極大的代價，一般都是通過設(shè)計盡可能的減少干擾帶來的影響，復(fù)雜電氣系統(tǒng)的干擾細(xì)分可包括以下幾個方面：

1)射頻信號輻射干擾。

復(fù)雜飛行器為確保飛行數(shù)據(jù)的可靠獲取，測控通信系統(tǒng)一般都有天地基測控、數(shù)傳遙測遙控發(fā)射機(jī)，另外，GNC系統(tǒng)還有無線雷達(dá)高度表，激光武器、電磁炮等有效載荷，這些設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸、高度測量、電磁毀傷，都要調(diào)制、傳輸和輻射一定功率的不同頻段和帶寬的電磁波，為了達(dá)到目的，有的設(shè)備功率較大。但是，現(xiàn)在的技術(shù)不能保證所有的輻射都定向傳輸出去，因此會對電氣系統(tǒng)線路及設(shè)備產(chǎn)生干擾[1]。

2)配電系統(tǒng)電源變換串?dāng)_。

配電系統(tǒng)需要將飛行器總電源轉(zhuǎn)化成不同特性負(fù)載需求的母線供電，而這些轉(zhuǎn)換一般都通過DC/DC、PWM調(diào)制等方式實(shí)現(xiàn)，一方面，電源變換都是通過線圈感應(yīng)、整流、濾波、脈寬調(diào)制等手段實(shí)現(xiàn)，本身就有很大可能將這些變化的電壓、電流串入后端信號測量、控制回路；另一方面，電源變換需求一般按負(fù)載特性分類規(guī)劃母線，母線之間也可能互相產(chǎn)生串?dāng)_。這兩種干擾，與電源變換設(shè)計、接地設(shè)計、母線隔離設(shè)計的品質(zhì)和有效性等密切相關(guān)。

3)伺服機(jī)電系統(tǒng)工作時，電流變化引起的串?dāng)_和輻射干擾。

一般情況下，飛行器舵機(jī)等伺服機(jī)電設(shè)備功率需求大，而且功率隨負(fù)載的變化不斷變化，有時峰值功率甚至是最平均功率的10倍，一方面變化的功率會改變母線的供電品質(zhì)，可能通過母線、地線串?dāng)_到控制、采集電路，另一方面變化的功率會通過線路寄生電感產(chǎn)生的電磁輻射，產(chǎn)生輻射干擾。

4)火工品、負(fù)載加斷電等瞬時功率設(shè)備，加電時浪涌引起的串?dāng)_和輻射干擾。

飛行器電氣負(fù)載設(shè)備加斷電瞬間、火工品起爆瞬間，母線及供電線路電流瞬間從0 A變?yōu)樨?fù)載電流大小，一方面這種電流的瞬變也會對電氣系統(tǒng)產(chǎn)生串?dāng)_，通過寄生電感產(chǎn)生電磁輻射干擾電氣系統(tǒng)；另一方面，因為負(fù)載及負(fù)載線路除了電阻特性外，還有電感和電容特性，電流瞬變化產(chǎn)生浪涌電流，浪涌也會對電氣系統(tǒng)產(chǎn)生串?dāng)_。

5)飛行器以外的輻射干擾。

飛行器在測試發(fā)射和飛行過程中，還要經(jīng)歷各種各樣的地面和低空各種工業(yè)電磁輻射環(huán)境、靜電放電環(huán)境、甚至雷電環(huán)境，這些電磁輻射，也可能會對飛行器電氣系統(tǒng)產(chǎn)生干擾[1]。

2 復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)干擾的影響模式

飛行器電氣系統(tǒng)由于其電子設(shè)備種類繁多，負(fù)載特性、電源種類、母線種類各一，每一個電子負(fù)載和設(shè)備線路連接都可能成為干擾源或被干擾源。但是，根據(jù)干擾對電氣系統(tǒng)的影響模式，干擾按照感應(yīng)模式可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，按照影響模式可分為共模干擾、差模干擾。

2.1 傳導(dǎo)干擾

傳導(dǎo)干擾主要是指電路將干擾信號以電壓或電流的形式通過公共電源線和公共接地電路相互傳播，并干擾改變其他電路電壓、電流的大小[1]。

如圖1所示I1、I2、I3三個回路任一個回路的電流發(fā)生變化，都會通過公共電路部分如C1、Q、C3，改變其他兩個回路的電流和電壓特性，從而造成干擾。

圖1 干擾電路示意圖

2.2輻射干擾

輻射干擾主要是指電氣系統(tǒng)電信號網(wǎng)絡(luò)或電氣設(shè)備電路網(wǎng)絡(luò)通過空間耦合感應(yīng)電磁干擾信號，從而使得自身電路的電壓幅度、電流大小、頻率、相位等電信號特性發(fā)生非預(yù)期的變化，從而對電路供電品質(zhì)、信號采集、控制輸出等產(chǎn)生影響。飛行器上電氣系統(tǒng)設(shè)備電纜連接信號回路和設(shè)備內(nèi)部信號回路設(shè)計不合理，存在電磁感應(yīng)回路、信號回路屏蔽不完善等情況，會對外部交變電磁場比較敏感，從而易受輻射干擾[2-3]。

如圖1所示，I1、I2為回路感應(yīng)磁場變化產(chǎn)生的差模干擾，I3為回路感應(yīng)磁場變化產(chǎn)生的差模干擾。如果系統(tǒng)電路網(wǎng)絡(luò)或單機(jī)電路中存在電路回路，就有可能感應(yīng)外部變化的電磁場并產(chǎn)生干擾電流，按照電磁感應(yīng)原理，閉合回路面積越大，通過的外部磁場強(qiáng)度越大，回路產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電流也越大。實(shí)際上電路總是閉合的，被干擾難以避免，電路設(shè)計中一般都通過設(shè)計使得閉合回路的面積最小或?qū)㈦娐繁M可能的用金屬屏蔽起來的方式來減少或隔離干擾，如使用雙絞線或同軸電纜，將電路集成到芯片中等方式。

2.3 差模干擾

差模干擾是指干擾信號電流在信號線和信號地線回路中流動，導(dǎo)致在信號線和信號地線上產(chǎn)生干擾電壓。差模干擾信號線和信號地線稱為干擾信號的往返傳輸路線[4]。差模干擾信號與信號流向完全相同，直接對信號產(chǎn)生干擾，如圖2所示。

圖2 差模干擾示意圖

2.4共模干擾

共模干擾是指干擾信號電流在信號線與參考地形成的干擾回路、信號地線與參考地形成的干擾回路中流動，相對參考地在信號線和信號地線上形成幅度相同的干擾電壓信號。共模干擾信號線和地線作為干擾信號的去路，經(jīng)其它路經(jīng)(如參考地)返回。共模信號主要通過信號電路或電路的不匹配性轉(zhuǎn)化差模信號后產(chǎn)生干擾[5]。

如圖3所示，如果圖中差分器件A、B輸入端具有完全相同的阻抗特性，則共模電壓產(chǎn)生的干擾電流Ig在器件中抵消，不會產(chǎn)生干擾。如果差分器件A、B輸入端阻抗特性不相同，則在差分器件A、B端產(chǎn)生不同的干擾電流，其差值會得到差分器件放大并產(chǎn)生干擾。

圖3 典型共模干擾電路

3 復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

3.1 接地設(shè)計

接地是提高電氣設(shè)備抗干擾性的有效手段之一，正確的接地既可以抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾。復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)需要根據(jù)系統(tǒng)的組成、負(fù)載設(shè)備的特性統(tǒng)一設(shè)計供電架構(gòu)，而接地設(shè)計是供電設(shè)計非常重要的一部分，通過合理的接地設(shè)計可以有效的提高系統(tǒng)的電磁兼容性和抗干擾能力。圖4是某飛行器接地體制設(shè)計原理圖，采用配電端單端接地和高頻設(shè)備多點(diǎn)接地原則，一次配電、二次配電、機(jī)電配電等都根據(jù)負(fù)載設(shè)備的特性設(shè)計并且互相隔離。接地電阻應(yīng)盡可能的小，一般為優(yōu)化電磁兼容設(shè)計的接地體制中的接地電阻應(yīng)為5～10 mΩ級。

圖4 復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)接地示意圖

配電端單端接地原則，對于所有未隔離的負(fù)載設(shè)備，都應(yīng)在配電端就近將地線連接到一個參考電位點(diǎn)上。復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)低頻電路采用配電端單端接地技術(shù)，可以保證不同負(fù)載設(shè)備所有互通的電源負(fù)線和信號地線對參考地的電位一致性，有效避免電源(信號)正(負(fù))與參考地形成回路，產(chǎn)生(接受)干擾或互相干擾。

高頻設(shè)備多點(diǎn)接地原則，高頻設(shè)備中各單元電路分別就近連接到地線上，通過短的接地路徑，可以顯著減少可能出現(xiàn)的高頻逐波現(xiàn)象[6]。

復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)中，對于采集和控制信號精度要求高的子系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)，也可采用對獨(dú)立配電(隔離后)及負(fù)載采用浮地的方式，即該部分配電及負(fù)載電源(信號)負(fù)線與參考地隔離，但是設(shè)備殼體與參考地良好接觸。浮地方式有效的阻斷了參考地與電路之間的傳導(dǎo)路徑，抑制了干擾，但是也阻斷了電路的放電路徑，降低了電路的抗靜電能力。對于既有低頻設(shè)備又有高頻設(shè)備供電又不能做到互相隔離的情況，采用單端和多點(diǎn)混合接地的方式，但是要注意地線回路的形成和數(shù)量的增多可能會引起干擾。

3.2 屏蔽設(shè)計

屏蔽設(shè)計經(jīng)常應(yīng)用在電氣設(shè)備單板設(shè)計、模塊設(shè)計、整機(jī)設(shè)計和系統(tǒng)電纜設(shè)計中，是抑制電磁干擾的重要手段之一。電氣設(shè)備一般采用金屬材料殼體，并通過搭接接地方式與機(jī)體結(jié)構(gòu)連接，來隔離電磁場。電氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)電能和信號傳輸?shù)碾娎|，一般將易受干擾的傳輸線纜設(shè)計成單層或多層屏蔽方式，并將屏蔽層與機(jī)體連接，來阻斷電磁干擾的感應(yīng)、輻射和傳輸[6]。

3.3 隔離設(shè)計

電路隔離設(shè)計可以有效避免不同電路之間相互干擾，常見的隔離設(shè)計有變壓器隔離(DC/DC)、光耦隔離、磁耦隔離、繼電器隔離和運(yùn)放隔離等。復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)隔離設(shè)計常根據(jù)其接地體制而確定，對于可能改變接地體制或易受干擾的電路進(jìn)行隔離，即對不同類型負(fù)載的供電進(jìn)行DC/DC隔離，模擬地應(yīng)與數(shù)字地進(jìn)行隔離，機(jī)電供電及信號與一般的儀器供電及信號進(jìn)行隔離，重要的單機(jī)設(shè)備之間的信號交互進(jìn)行隔離等。

3.4 濾波設(shè)計

合理的濾波設(shè)計能有效地減小電氣系統(tǒng)中傳輸?shù)墓╇姾托盘柕母蓴_，讓電源母線紋波和信號上的干擾降低到可接受范圍之內(nèi)。濾波器根據(jù)要傳輸和衰減的信號特性，可以設(shè)計為低通、高通、帶通和帶阻4種形式，來減少供電和正常信號以外的干擾源對系統(tǒng)的影響。

4 案例分析

圖5為某項目供電系統(tǒng)母線電壓采集電路原理圖，該供電系統(tǒng)采用舵機(jī)母線(160 V)、儀器母線(28 V)和火工品母線(28 V)三母線獨(dú)立供電，三母線分別在各自的配電單元單點(diǎn)接地，電壓采集是通過電阻分壓統(tǒng)一輸入給28 V配電單元中的多路選通開關(guān)使用快速輪詢方式進(jìn)行模擬量參數(shù)采集，電壓采集結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 某項目供電電壓采集原理圖

圖6 受干擾采集電壓曲線

分析原因，主要是采集電路對舵機(jī)母線、儀器母線和火工品母線三條母線負(fù)端進(jìn)行高速切換，三條負(fù)母線獨(dú)立單點(diǎn)接地，切換速率過快導(dǎo)致參數(shù)采集時選通開關(guān)出現(xiàn)不確定狀態(tài)，例如切換指令接收后開關(guān)未能完全斷開，此時會引入上一次采集時原負(fù)母線的電位基準(zhǔn)，造成參數(shù)采集電壓值出現(xiàn)異常，從而發(fā)生采集異常波動現(xiàn)象。

該案例是因系統(tǒng)設(shè)計未考慮供電隔離的一個典型案例，分析出現(xiàn)問題的原因，可采用兩種解決措施，一是更改多路選通開關(guān)切換時間，保證切換空閑間隔足夠長；二是在通過光耦隔離電路對采集信號進(jìn)行隔離后送采集電路進(jìn)行采樣，圖7為在選通開關(guān)前端增加隔離電路后信號采集電壓曲線。

圖7 采取措施后的采集電壓曲線

5 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了抗干擾設(shè)計方法和措施。針對干擾源對電氣系統(tǒng)傳導(dǎo)、輻射、差模、共模4種干擾模式，分別介紹了電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中接地、屏蔽、隔離、濾波4種常用抗干擾措施的使用方法。結(jié)合實(shí)際案例，分析了某項目供電系統(tǒng)電壓采集干擾原因及解決措施。

[1]葉厚良，何德軍，欒孝豐.導(dǎo)彈武器電磁兼容性設(shè)計[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2009,24(2)：149-152.

[2]米小莉，汪 非，趙永剛.戰(zhàn)術(shù)飛行器電氣系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2012,33(4)：18-19.

[3]宋飛飛.無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信道編碼方法研究[J]計算機(jī)測量與控制, 2012, 20(6):1602-1605.

[4]邵云峰，王 臻.彈上電氣系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2007,35(2):34-37.

[5]張金祥，張佳鶯，王慶成.小衛(wèi)星總體電路電磁兼容性設(shè)計.2003,35(2):227-229.

[6]尚開明.電磁兼容(EMC)設(shè)計與測試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

ResearchonAnti-intelogrferenceDesignTechnologyofComplexElectricalSystemofAircraft

Ou Lianjun , Zhao Yan , Zhang Xiang , Wang Jiankang , Rong Gang

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center,Beijing 100076,China)

Combined with the characteristics of modern aircraft , which has Complex functions, many kinds of equipment, large number of equipment, large scale of electrical system, complicated interdevice connection and many interface signal types , For high anti-interference performance and reliability requirements , the types, characteristics and influence of interference sources, such as radiation, power supply crosstalk, surge and crosstalk are analyzed systematically . In view of the influence of circuit conduction, radiation, differential mode and common mode interference four interference pattern, the design method was put forward in four aspects from the source to improve the suppression of complex aircraft electrical system anti-jamming performance and precautions , which is grounding design, shielding design, isolation design and filter design. Finally, combined with typical cases, the problem of signal interference in the electrical system of an aircraft is analyzed, which is solved by adding isolation measures and verified by experiments.

anti-interference; electromagnetic compatibility; grounding design

2017-07-24；

2017-08-22。

歐連軍(1980- )，男，甘肅人，碩士，高級工程師，主要從事航天器航電綜合系統(tǒng)控制總體設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2017)11-0208-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.053

E926.3

A