某型水下探測器舵機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)

解全澤， 康新華， 李滟津， 張惠文

（山西汾西重工有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究所， 山西 太原 030027）

引言

為了適應(yīng)新時(shí)期現(xiàn)代化建設(shè)需求，水下探測器在海洋的開發(fā)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。根據(jù)不同需求搭載儀器和系統(tǒng)，可完成水底地形地貌探測、海洋環(huán)境搜集、搜尋探礦和水下安全檢查等。舵機(jī)作為水下探測器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其電磁兼容性能直接關(guān)系到水下探測器的任務(wù)執(zhí)行，電磁兼容要求滿足GJB 151《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》（潛艇平臺）。由于水下探測器空間結(jié)構(gòu)限制，在狹小空間內(nèi)有舵機(jī)、大功率無線電臺、推進(jìn)電機(jī)控制器、漏液檢測裝置等，不可避免地使舵機(jī)電磁兼容問題更加突出。因此在舵機(jī)設(shè)計(jì)的早期階段，就要充分考慮產(chǎn)品電磁兼容性，才能減少返工，節(jié)約人力及物力的成本。

1 舵機(jī)組成及功能

舵機(jī)主要由控制器、伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和角度傳感器等部分組成，見圖1。舵機(jī)根據(jù)中央控制單元發(fā)出的操舵指令，操縱舵板偏轉(zhuǎn)，從而控制水下探測器的航行姿態(tài)或航行軌跡。

圖1 舵機(jī)組成框圖

2 舵機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)

舵機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)重在前期階段對干擾器件和干擾電路識別，舵機(jī)調(diào)速采用PWM脈寬調(diào)制，是當(dāng)前運(yùn)用成熟的技術(shù)，但有較大的電壓變化率dV/dt和電流變化率dI/dt，電磁干擾較強(qiáng)。因此，在電磁兼容性設(shè)計(jì)中要充分考慮空域、頻域、時(shí)域、能域和傳導(dǎo)回路等五個(gè)方面，對電磁干擾三要素（敏感設(shè)備、干擾源、傳輸路徑）加以控制。電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)遵守電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范，從器件、電路、組件、部件逐級進(jìn)行考慮。

2.1 控制器電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)措施

首先結(jié)合舵機(jī)電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡量減少元件數(shù)量和連線，提高產(chǎn)品的可靠性。器件選型電源模塊選用帶屏蔽殼體的隔離電源轉(zhuǎn)換模塊，對不同的功能單元采用各自獨(dú)立供電。電流傳感器選用霍爾電流傳感器，根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理檢測，實(shí)現(xiàn)與功率主電路完全隔離。電阻電容等分立器件選用貼片元件，減小寄生電感和電容。

印制板設(shè)計(jì)選用抗干擾能力強(qiáng)的四層電路板，在中間兩層放置地層與電源層，降低電源線和地線的阻抗。上下兩層放置信號線，有最小的信號與地線環(huán)路。對強(qiáng)弱信號劃分區(qū)域，布線按照3W規(guī)范，盡可能的短，間距盡可能的寬。布線寬度在能滿足電氣性能要求情況下，還要考慮在大電流情況下的溫升。在對靈敏的低電平電路比如DSP系統(tǒng)，對外圍電路例如控制子系統(tǒng)、功率驅(qū)動電路、上位機(jī)通訊，均采用光電隔離以消除接地環(huán)路中可能產(chǎn)生的干擾。

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)措施

軟件抗干擾設(shè)計(jì)采用容錯(cuò)技術(shù)，應(yīng)用看門狗定時(shí)器監(jiān)視系統(tǒng)軟件和硬件的運(yùn)行，定時(shí)刷新并存儲關(guān)鍵參數(shù)到存儲器中，當(dāng)CPU因?yàn)楦蓴_而運(yùn)行紊亂時(shí)，可以完成系統(tǒng)的復(fù)位功能。

在軟件中采用采樣濾波技術(shù)，并對參數(shù)設(shè)置邊界值，防止因?yàn)殡姶鸥蓴_影響數(shù)據(jù)。

2.1.3 控制盒體設(shè)計(jì)措施

舵機(jī)控制盒選用鋁合金導(dǎo)電氧化，盒蓋和盒體間利用導(dǎo)電橡膠條，建立了控制盒完整的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。

接插件與控制盒之間通過導(dǎo)電襯墊連接，確保接插件與殼體的可靠接觸。

控制盒內(nèi)根據(jù)強(qiáng)弱電路板設(shè)置金屬屏蔽板進(jìn)行空間劃分，防止強(qiáng)弱信號的相互影響。

電源濾波器外殼與控制盒直接搭接并安裝在控制盒內(nèi)壁，確保電源輸入線首先經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波，在由濾波器輸出到引線輸出。

2.2 外圍元件電磁兼容設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)選用直流無刷電機(jī)，殼體采用導(dǎo)電氧化進(jìn)行電磁屏蔽。定子采用斜槽設(shè)計(jì)，能有效消除電機(jī)轉(zhuǎn)動電磁脈動。電機(jī)電源和信號線均使用屏蔽線，以防系統(tǒng)之間的騷擾耦合。對動力電源線強(qiáng)干擾信號傳輸使用外屏蔽雙絞線。由于設(shè)備電纜較短，采用了電纜屏蔽層兩端與接插件尾部環(huán)形連接，防止系統(tǒng)之間的騷擾耦合。如果要求獲取更高的屏蔽效能，可使用專用EMI濾波器接插件，如濾波連接器等。既可以對信號濾波，又可實(shí)現(xiàn)屏蔽。在電機(jī)電源和信號線上增加鐵氧體磁珠，濾除電機(jī)的高頻干擾。

在設(shè)計(jì)中盡可能地增大角度傳感器的輸入電壓，提高采樣輸入的分辨率，減小電磁干擾的影響。

3 電磁兼容測試

為驗(yàn)證舵機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)的有效性，對舵機(jī)的電磁發(fā)射和敏感度進(jìn)行測試，項(xiàng)目包含CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103。針對舵機(jī)電磁兼容未通過項(xiàng)目CE102，分析原因?yàn)殡姍C(jī)的電感量較小，雖然在動力電源線輸入端有電源濾波器，其傳導(dǎo)發(fā)射干擾仍然較大，處理措施為在電源線上串入大電感。舵機(jī)電磁兼容未通過項(xiàng)目RE102，分析舵機(jī)干擾源主要為強(qiáng)電回路，對電機(jī)電磁屏蔽進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電機(jī)出線屏蔽層與電機(jī)殼體沒有良好搭接，造成電機(jī)的電磁泄漏，通過對電機(jī)出線屏蔽層進(jìn)行處理，保證了電機(jī)出線孔的封閉性。通過采取上述兩項(xiàng)電磁兼容措施，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證效果顯著。

4 結(jié)語

本文通過舵機(jī)研制過程電磁兼容設(shè)計(jì)介紹，并對電磁兼容測試發(fā)現(xiàn)的電磁兼容問題，采取措施通過電磁兼容性測試，滿足水下探測器使用要求，最大程度節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。電磁兼容設(shè)計(jì)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，而在研制過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對其他產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)和優(yōu)化有一定的借鑒意義。