飛艇及系留氣球電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的干擾及對(duì)策

張敬鋒

（中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

0 前言

飛艇和系留氣球作為可依靠自身浮力升空的飛行器，具有留空時(shí)間長(zhǎng)、使用成本低等優(yōu)勢(shì)，在民用和軍用領(lǐng)域都有長(zhǎng)足的發(fā)展。然而飛艇和系留氣球都屬于軟囊體飛行器，缺乏飛機(jī)機(jī)體的金屬殼體提供電磁屏蔽作用，在使用過程中易出現(xiàn)電氣設(shè)備和線路受到干擾的問題。該文對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，對(duì)常見干擾進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)措施。

1 干擾源

要想分析干擾，首先要分析干擾源。飛艇和系留氣球工作時(shí)干擾來源較復(fù)雜，按來源可以分為內(nèi)部干擾和外部干擾，內(nèi)部干擾指的是電路本身的相互干擾，外部干擾包括自然界的天電干擾、環(huán)境中的各種電磁波及能量場(chǎng)等。

電路本身的內(nèi)部干擾是由于元器件本身問題和電路本身設(shè)計(jì)不合理造成的。例如電路布線和元器件排列不合理，通過電路的分布電容，分布電感耦合與反饋，引起電氣系統(tǒng)工作不正常和不穩(wěn)定。另外，不少元器件，本身就是干擾源或?qū)ν獠扛蓴_非常敏感，而在設(shè)計(jì)中又沒有采取針對(duì)措施，例如DC/DC 電路、繼電器、接觸器、線圈和可控硅等，工作時(shí)可能在電路中產(chǎn)生脈沖、高次諧波和紋波等，容易對(duì)其他器件產(chǎn)生干擾。同時(shí)，繼電器、接觸器、線圈等既是干擾源又是敏感源，諧波和雜波也會(huì)造成其誤動(dòng)作，引發(fā)設(shè)備故障。

外部干擾中危險(xiǎn)最大的是天電干擾，天電干擾指大氣層中積貯的電荷放電而引起的電磁輻射，雷電便是一種最強(qiáng)烈的天電干擾。飛艇及系留氣球常在數(shù)千米高空飛行，自然界的閃電、雷擊在其附近時(shí)，就算沒有直接擊中，雷電的巨大能量也會(huì)在電路中感應(yīng)出雷電浪涌電壓和電流，這就是雷電的間接效應(yīng)。感應(yīng)出的浪涌電壓和電流會(huì)給電氣系統(tǒng)造成干擾，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的破壞[1]。

除了天電干擾，外部的人工裝置很多也是干擾源，例如廣播、電視、通信和導(dǎo)航設(shè)備，這些設(shè)備在工作時(shí)都會(huì)向外發(fā)射電磁能量，部分能量被飛艇及系留氣球的電氣系統(tǒng)接收就有可能造成干擾，引發(fā)故障。

2 干擾的途徑和方式

系統(tǒng)的干擾有“場(chǎng)”和“路”2 個(gè)途徑，“場(chǎng)”和“路”可以互相轉(zhuǎn)換。“場(chǎng)”的干擾可分為電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)又可分為靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)又可分為低頻和高頻交變磁場(chǎng)。

“路”的干擾有電源干擾、接地干擾、元件噪聲干擾、引線感應(yīng)電壓干擾等。形成的途徑是通過元器件、線路等耦合而侵入[2]。

電氣系統(tǒng)被干擾后，存在于電氣線路中最常見影響也較大的2 種干擾電流是共模干擾電流和差模干擾電流[3]。

共模干擾電流在電纜及其地線形成的回路中流動(dòng)。共模干擾電流既可能由外部干擾產(chǎn)生，也可能由內(nèi)部干擾產(chǎn)生。由設(shè)備外部產(chǎn)生的共模電流是設(shè)備受到干擾的主要原因。由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的共模電流是設(shè)備傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射超標(biāo)的原因。

差模干擾電流在信號(hào)線和信號(hào)負(fù)線（或電源線的火線和零線）之間流動(dòng)。電纜中的差模電流以電路的工作電流為主，外界因素也會(huì)產(chǎn)生差模電流。差模干擾電流加載到正常工作信號(hào)上，會(huì)直接影響測(cè)量與控制的精度。

3 結(jié)合實(shí)例提出應(yīng)對(duì)措施

下面將對(duì)電氣系統(tǒng)中常見的干擾源和敏感設(shè)備進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)措施。

3.1 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)是飛艇及系留氣球電氣系統(tǒng)中的常用設(shè)備。在飛艇的推進(jìn)裝置以及飛艇和氣球的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)中都使用了電機(jī)。在電氣系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)既是干擾源，也是敏感源，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、剎車、轉(zhuǎn)速變化，甚至包括正常運(yùn)轉(zhuǎn)，都會(huì)對(duì)線路造成影響，產(chǎn)生各種諧波或使電路電壓跌落。同時(shí)電動(dòng)機(jī)也容易受到干擾，特別對(duì)于常用的利用PWM（Pulse-Width Modulation 脈寬調(diào)制信號(hào)）調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，對(duì)干擾也十分敏感。

為了降低電動(dòng)機(jī)對(duì)電路的影響，通常在電動(dòng)機(jī)的輸入端接上電源線濾波器，電源線濾波器既是差模濾波器也是共模濾波器，因此有良好的濾波效果。

要正確地使用電源線濾波器，保證濾波效果，要注意3點(diǎn)。1）不要在電源線濾波器和電動(dòng)機(jī)之間接入開關(guān)、指示燈等設(shè)備，如果是開關(guān)、指示燈對(duì)電動(dòng)機(jī)造成干擾，濾波器就不能濾除干擾。2） 電源線濾波器的接地端一定要良好接地，如果濾波器接地不好，濾波效果將會(huì)大打折扣。3）電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、參數(shù)不同，所產(chǎn)生的干擾也不相同，盡量一個(gè)電動(dòng)機(jī)配用一個(gè)電源線濾波器，電源線濾波器的參數(shù)要和電動(dòng)機(jī)相適應(yīng)。

3.2 電源線和信號(hào)線

如果不考慮電源線所帶負(fù)載的影響，外部電磁場(chǎng)對(duì)電纜產(chǎn)生的干擾主要是共模干擾，共模干擾使線路上產(chǎn)生共模電流，導(dǎo)線越長(zhǎng)，感應(yīng)效果越加明顯。為了降低或消除干擾，除選用上述的電源線濾波器外，另一個(gè)簡(jiǎn)便的措施是在電源線和負(fù)載之間（在我們一般的電氣線路中，在電源線和AC/DC 變換器、DC/DC 變換器、變壓器等設(shè)備間）加上共模電感。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)而互相抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流只受線圈內(nèi)阻的影響。而線路中的正負(fù)線走在一起，它們受到共模干擾是相同的，共模電流是同向的，就會(huì)在線圈中產(chǎn)生相同的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，從而衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

在飛艇和系留氣球的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，會(huì)用到大量的信號(hào)線，傳輸?shù)男盘?hào)可以分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)2 類。對(duì)模擬信號(hào)，常用到的有4 mA～20 mA 電流信號(hào)、0 V～5 V 電壓信號(hào)或開關(guān)量信號(hào)等。這類信號(hào)線受到的主要干擾也是外界電磁場(chǎng)在基線路上產(chǎn)生的共模電流。對(duì)模擬信號(hào)線可采取的抗干擾措施主要有3 項(xiàng)。1） 屏蔽。良好的屏蔽可以明顯降低外界電磁場(chǎng)對(duì)線路的影響，但屏蔽線質(zhì)量、體積較大、成本高、安裝和連接都比較麻煩，并且屏蔽層的兩端都需要良好的接地，如果接地不好，屏蔽效果會(huì)變差，甚至外界電磁場(chǎng)會(huì)使屏蔽層兩端產(chǎn)生電位差，給電路中引入差模電流，效果適得其反。2）選用合適的低通濾波器，前面已經(jīng)說過，信號(hào)線常見的干擾是共模干擾，而共模電流通常是高頻電流，選用合適的低通濾波器，可以濾除高頻雜波，保證信號(hào)的純凈；3）光電耦合，光電耦合模塊也是一種優(yōu)秀的濾波器，選取速度合適的光電耦合模塊，可以濾除高頻雜波，保證正常信號(hào)的通過，同時(shí)光電耦合還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電氣隔離，提高電氣系統(tǒng)的安全性。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，常見的接口有串口、網(wǎng)口等，串口運(yùn)用非常廣泛，許多傳感器都采用串口和計(jì)算機(jī)通信，串行通信距離隨傳輸速率的不同而不同，理論上最遠(yuǎn)可以達(dá)到100 m。對(duì)于串行信號(hào)的傳輸，可以采取3 項(xiàng)措施。1）在距離遠(yuǎn)和通道多的情況下改為光纖傳輸，光纖對(duì)電磁場(chǎng)不敏感，本身具有良好的抗干擾能力，但光纖成本高，需要專用的信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，連接和修理都需要專用設(shè)備和技術(shù)，增加了成本和應(yīng)用上的難度。2）屏蔽，屏蔽可以在降低外界電磁場(chǎng)影響的同時(shí)抑制信號(hào)線自身的輻射，但采取屏蔽措施時(shí)要注意上面提到的問題。3） 一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法是把線纜在鐵氧體磁環(huán)上繞一到數(shù)圈，制成共模扼流圈，抑制共模干擾，該方法對(duì)USB 信號(hào)線也同樣適用。

3.3 舵機(jī)

把舵機(jī)單獨(dú)拿出來說是因?yàn)樵谶b控飛艇上大量地使用了舵機(jī)，并且舵機(jī)起著很重要的作用。舵機(jī)從原理上講是PWM 信號(hào)控制的步進(jìn)電機(jī)，使用的電機(jī)有3 根電線。1）2根電源線，使用4.8 V ～6 V 直流電壓驅(qū)動(dòng)。2）1 根信號(hào)線，采用PWM 信號(hào)控制。PWM 信號(hào)的典型周期是25 ms，但據(jù)研究顯示，舵機(jī)對(duì)0.5 ms ～1 ms 甚至更低的信號(hào)都有響應(yīng)，這就說明舵機(jī)容易受某些雜波的干擾[4]。在遙控飛艇使用的舵機(jī)中，部分舵機(jī)就受到了強(qiáng)烈的干擾，甚至在采取屏蔽措施后仍不能消除，分析原因，有以下2 點(diǎn)。1）舵機(jī)是敏感源。2）連接舵機(jī)的電纜平直敷設(shè)，走得過長(zhǎng)，天線效應(yīng)十分顯著，雖然加了屏蔽，但屏蔽層不能就近接地，降低了屏蔽效果，甚至屏蔽層兩端可能存在電位差，引入差模電流，使情況惡化。

在這種情況下，如果仍要長(zhǎng)距離走線，可采用2 根信號(hào)線，同時(shí)在信號(hào)的發(fā)送端裝一個(gè)反向器（即非門），2 根信號(hào)線一根走正常信號(hào)，一根走反向信號(hào)（即差分傳輸）。在信號(hào)的接收端（即舵機(jī)上）也裝一個(gè)非門，把反向信號(hào)再反向后和正常信號(hào)疊加。由于2 根信號(hào)線一起走，所受的干擾也是相同的，經(jīng)過反向疊加后，即可抵消耗干擾。此外，如果2 根信號(hào)線采用雙絞形式，則抗干擾能力還會(huì)提高。

3.4 數(shù)字濾波

在設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)特別是測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，常用到信號(hào)采集裝置，在信號(hào)采集裝置采集信號(hào)時(shí)，往往有一些隨機(jī)干擾、噪聲信號(hào)竄入其中。有些干擾信號(hào)經(jīng)常是無規(guī)律的變化，這樣就給系統(tǒng)帶來了隨機(jī)誤差，而這些干擾信號(hào)在多次測(cè)量中是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。為了克服隨機(jī)干擾引入的誤差，除了采用硬件消除干擾的方法，還可以按統(tǒng)計(jì)規(guī)律采用軟件方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，即采用數(shù)字濾波方法來抑制干擾，消除隨機(jī)誤差，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的平滑處理，以保證采樣得到的數(shù)據(jù)盡可能向真實(shí)值靠近。

4 結(jié)語

上述措施在一些系留氣球和遙控飛艇上使用后，效果非常顯著，很多飛艇及系留氣球大量采用了抗干擾能力較弱的工業(yè)/民用電氣器件，因干擾產(chǎn)生的故障直接影響飛行安全。采用了上述措施后，大部分器件仍可以使用，大幅減少了由于干擾而產(chǎn)生的故障，獲得良好的使用效果。