测试转台测控系统电磁兼容性设计

摘要：本文全面讨论了测试转台测控系统的电磁兼容性问题，针对一般研制过程中常见的干扰及采用PWM数字功率放大电路而引入的调制频率干扰，从设计到装配工艺提出了抑制措施。经在某型单轴伺服转台中的实践证明，文中提出的一系列方法对克服电磁干扰，提高测控系统的可靠性和精度行之有效。
关键词：测试转台； 电磁兼容； 测控系统

1　概述
　　测试转台测控系统不可能工作在绝对理想的环境下，因此它必然受到各种环境因素的影响。这些影响包括：(1)外部环境对测试设备的影响；(2)测试设备电子线路内部各元器件之间的相互干扰。外界环境干扰包括外界电磁场、电网波动等，而电子线路之间的互相干扰则主要是通过公共阻抗、线间分布电容及互感而相互影响。测试设备电子线路不仅受到外界环境的影响，同时它也会向外界发射电磁波，给电网回馈波动，这种效应会对其它电子设备造成干扰。因此其电磁兼容是研究该设备既不受周围环境的影响，又不给周围环境以这种影响的一门技术。
　　电磁兼容问题是一个非常复杂的问题，有些从原理设计时就可以考虑，如电源滤波，抗干扰的有源或无源滤波网络的引入或继电器等瞬间高压的吸收等。而大部分的电磁兼容口问题如线间分布电容，由于其与具体的元器件的布局、走线等有关而难以在原理设计时就予以考虑。即使能够考虑，也会因为需要在原理设计中加入一系列措施而使电路变得十分繁杂，反而会引入新的电磁兼容问题。解决这类电磁兼容问题往往是从电路布局、信号走线等方面入手。因此，电磁兼容技术很大程度上是一门工艺性技术。
　　随着测试设备精度及可靠性要求的提高，电磁兼容性问题变得越来越重要，一定程度上它是限制测试设备性能进一步提高的的主因素，而且电磁兼容性问题自始至终贯穿于测试转台测控系统的研制过程，因此必须从原理设计、印刷板设计到装配及设备调试都予以认真考虑。

2　测试转台测控系统的电磁兼容性设计
　　测试转台测控系统设计可以分为三大部分：①控制柜电子线路设计；②台体布线，包括滑环布线、台体内走线、控制及测量电缆布线、感应同步器反馈信号及陀螺信号前置放大器设计等；③接地系统设计。每一部分在运行过程中都会遇到如下几方面干扰：①传导性耦合干扰；②电容性耦合干扰；③电感性耦合干扰。解决其干扰问题一般从以下几方面着手：①系统内干扰的抑制；②干扰途径的抑制。但无论从原理上讲还是从实践上讲，干扰源的抑制是解决干扰最有效的方法。下面分别从每一部分出发来讨论其电磁兼容性设计。
2.1　控制柜电子线路的电磁兼容性设计
　　每个控制柜由若干控制箱构成，而控制箱内的电子线路采用了模块化设计。每个控制箱的电磁兼容性设计大致可分为四个方面：①主电子线路印刷板设计；②外引线设计；③公用底板设计；④控制箱装配工艺设计。
2.1.1　主电子线路印刷板设计
　　首先讨论如何减小主线路板对外界的干扰。测控系统中任何电子线路都会对外界产生传导性耦合干扰、电容性耦合干扰和电感性耦合干扰，只是大部分线路在某些方面的干扰并不突出，不作为明显的干扰源。
　　在主电路中往往既有数字电路又有模拟电路。为了抑制数字电路造成的电源波动耦合干扰，在板内每一个芯片的Vcc和GND之间要接入旁路电容，以便该芯片造成的电源波动被就近吸收，减小其对其它芯片的影响。在接入旁路电容时应尽可能靠近芯片，使Vcc-GND通过旁路电容构成的回路面积最小，而且Vcc和GND的走线应尽可能短而粗。
　　为了防止每一块印刷板通过Vcc、GND对其它印刷板造成传导性耦合，其Vcc-GND入口处要接入一个大容量的电解电容，并入一个0.1 μF的高频电容，以吸收该板的电平波动。
　　数字电路中各信号之间的容性和感性耦合有时难以避免，但因为数字电路本身具有很大的噪声容限，这种耦合并不会造成严重的影响。同时数字电路中很少有大电压和大电流信号，因此它对外界的电容性和电感性耦合可以忽略。抑制数字电路的容性和感性耦合的方法是对每块印刷板外加接地良好的金属壳，以起到电磁屏蔽效果。
　　测控系统中模拟电路大多处理的是直流小信号，因此一般不会对外界造成明显的容性和感性耦合干扰。但也有一部分是处理交流大信号，如测角系统中的激磁电源，它是一个2 kHz的正弦交变信号，能产生变磁场，因此容易对外界造成干扰。在设计印刷板时没有有效的方法来避免板内的干扰，只能通过加大干扰回路和被干扰回路的距离来减小它的影响，或适当采用屏蔽线的方法来抑制。该控制板对其它印刷板的这种磁干扰也只能通过对整块板的屏蔽来抑制。
　　一般来讲，电子线路中大电流回路和大电压回路容易造成电感性和电容性耦合。在测试转台测控系统中，为了减小功耗，采用了数字功放。由于数字功放采用了含有高频大电压调制信号的数字PWM方式驱动，同时电机绕组又是一个电感性负载，因此它会对外界造成严重的电容性耦合干扰。但由于流过绕组的电流并不大，故它不会造成大的电感性耦合干扰。产生这种干扰的原因是驱动器中开关的通断瞬间感性负载会产生很高的尖峰电压，而容性干扰的大小同这一电压成正比。抑制数字功放的这种干扰应从以下几方面入手：
　　①开关二端加合理的吸收电路；
　　②在感性负载或A、B、C三相之间并入高压高频电容；
　　③在IGBT功率开关驱动电路上设法减缓开关的导通、关断速度，使其基极驱动波形变缓，这样将使开关器件在导通和关断瞬间均有很大的压降，从而消除负载上的尖峰电压，降低其对外的电容性干扰。
　　以上讨论了如何在设计时消除或抑制主电路对外界的各种干扰。下面将讨论在设计主电路印刷板时如何抑制外界干扰。
　　在数字电路中，传导耦合主要是通过电源和地线引入的。上面曾谈到的在Vcc-GND之间加滤波电容已从很大程度上抑制了这种耦合，因此下面主要讨论如何抑制容性和感收耦合。对于感性耦合，从设计上要避免印刷线构成环路，当然包括电源线和地线，这样既可以消除地环流，又使其不受外界磁场的干扰。对于容性耦合，要设法减小信号线之间的分布电容，因此应注意以下几点：a.尽可能避免二信号线的长距离平行布线；b.强信号同弱信号尽可能不要贴近布线；c.布线时尽量不要从管脚间穿行，对于高频信号尤其如此；d.时序逻辑电路的输入、输出线最易引入干扰，因此应避免过长引线。其输出尽量不要跨板驱动，必要时应先加缓冲隔离，如测角系统中经20 MHz分频得来的10 kHz、20 kHz等时间基准在板间传输时，应先加缓冲驱动以隔离传输线引入的回扰；e.经传输线传输的信号可能会发生畸变，因此应在下一级电路的输入处加施密特整形。
　　数字电路中往往会有许多引脚空闲不用，由于其缺乏确定的电平而容易引入干扰，其中时序逻辑组合比逻辑电路更易受干扰，如测角系统中的计数电路、单双稳电路等，一个干扰脉冲有可能造成其状态的误翻转。因此要将其不用的输入端依设计要求分别接至GND或通过1 kΩ电阻接至Vcc。由于时序逻辑电路的输出端可能是其内部的输入，其闲置的输出端也要避免悬空，而应对地接入1 000 Pf高频电容。
　　同数字电路相比，模拟电路的抗干扰问题更难解决。在数字电路中传导耦合一般不造成多大问题，但对模拟电路来讲，这种干扰却必须引起高度重视。
　　正如前面讲到的，传导耦合的最常见形式为公共地线耦合，而消除传导耦合的最有效的方法是一点共地。有时由于受到印刷板空间的限制不可能使每一个单元电路的地全部是一点共地(有时也不必要)，因此常遵循的原则是：单元电路一点共地，然后接入公共的地线上去。这对多级线路来讲仍存在着公共地线的传导耦合，此时应注意在安排线路时不让大信号回路的电流流过小信号回路，以尽量减小大信号回路对小信号回路的干扰。例如在测角系统中激磁电源从信号发生到其输出共有多级电路，一般由运放单元电路组成，每个单元电路要一点共地，即其输入、输出及工作电源的地要尽可能从一点引出，然后连接到地母线上。在这种线路中，模拟工作的电源地线要从大信号单元电路即激磁输出级的“地”处接入，而不应在信号发生处接入。
　　对于测角中的粗、精反馈信号及主控系统的测速机反馈、陀螺信号的前置处理电路等模拟线路设计，除了注意以上几点外，尤其还要注意输入信号的“地”应在其多级处理线路的最前级处接入，而不应随便将输入信号的“地”接自系统任意点的“地”。由于输入端一般比输出端的信号要小，故此处遵循单元电路的一点共地原则更重要。
　　除上述常见的传导耦合外，模拟电路中还有其它性质的传导耦合如接触电阻变化，尤其是采用大量运放的模拟电路，由于其输入端对各种噪音比较敏感，其同、反相端尽量不要直接同可调电位器的滑动端相连(滑动端具有大的接触噪声)。
　　正如以上谈到的，运放的同、反相端(尤其是作为“虚地”的同相端)对噪音非常敏感，因此模拟线路中抑制电容性和电感性耦合，尤其是电容性耦合要特别注意避免这些引脚直接引入干扰。对于高增益、高阻抗和小信号放大电路更要注意这一点。
　　为了避免电容性干扰，连接运放的同、反相端的引线不宜过长，尤其应避免直接从前面板上的电位器一端到运放的输入端的引线。对于高输入阻抗、高增益及宽带运放电路，除了一般的措施外，还应采取同、反相端的屏蔽和其它装配工艺措施。关于这类电路的电磁兼容性设计在感应同步器前放设计中论述，此处不做详细讨论。
2.1.2　外引线的设计
　　测试转台测控系统采用了模块化设计，每块印刷板都经过底板上的88芯片插座进行信号通讯，因此印刷板上的外引信号都通过88芯片插座实现。由于88线插座将各种信号集中，信号间的相互影响相对比较严重。为减小通过该插座引入的电容和电感性耦合，在安排信号引线时应该将所有信号如电源信号、输入信号、输出信号、强信号或干扰信号、弱小信号加以区分，合理布线。
　　除分开安排信号引脚外，对于某些干扰源信号，如测角系统中的激磁信号和陀螺参考信号及易受干扰的信号线如陀螺输出的信号，还应实行引脚间的屏蔽。这可以通过在二类信号之间安排隔离地线来实现。
2.1.3　底板设计
　　底板是模块化设计的转接件，为各模块间提供通讯总线。因此其信号线安排以及电容性耦合干扰抑制等同各模块的外引线的处理原则一样。除此之外，底板为各模块提供公共的电源和地线，因此如何抑制传导耦合是底板设计的主要内容。
　　为减小公共地阻抗的传导耦合，地线应尽量采用大的地平面，而且数字地和模拟地要分开走线，在底板上一点共地。为了实现大面积地，二个地只能安排在88芯插座的二边，即A1、B1(数字地)、A44、B44(模拟地)，这样为在底板的四周安排大面积地提供了可能。
　　底板上各印刷板插槽的安排应符合单元电路一点共地和多级电路的大电流不流过小电流回路的原则，因此将电流变化大的模块安排在靠近电源输入点的插槽里，其余插槽依每块模块电流及电流变化大小排列。例如主控系统中的主控模块是数字模块，它的电流变化较大，因而带给公共阻抗上的传导耦合干扰将最严重，故应将它安排在靠近电源引入点，而ADDA及陀螺伺服前置处理依次远离主控板。还如测角系统中，激磁输出板尤其是精激磁输出板流过的电流大，计算机处理板的电流变化频繁，应该靠近电源输入口布置母板插槽。粗、精检零板由于要处理反馈信号而易受到干扰，故应远离电源输入口。另外，在测角中还要注意其它噪声干扰，如热源造成的温度变化对激磁正交度及幅值等的影响，因此在安装数字电源时应充分考虑这一点。
2.1.4　控制箱装配工艺设计
　　控制箱装配工艺包括每个箱中的交、直流电源引线、布局，显示指示灯引线、散热风扇、后面板引线设计等。
　　电源装配线是引入电网噪音、外界磁场干扰的一条主要途径，同时它还会产生交变磁场和通过分布电容给测控系统本身造成干扰，因此这一部分的电磁兼容问题必须引起足够的重视。
　　电源系统一般包括引线、电源滤波器、直流开关电源及其它辅助线路。提高这部分线路的抗干扰能力主要是通过配线方式、安装位置等装配工艺来实现的。首先220 V交流进线到电源滤波器的引线距离应尽可能短，因此将滤波器装在后面板的220 V进线处最好。否则由于引线为大电压交变信号，其走线过长，则同电子设备线路之间的分布电容大，电场干扰严重，交变磁场的影响区域也大。电源滤波器的输入线和输出线不应捆扎在一起平行敷设和公用一个屏蔽层，否则滤波后的交流信号中会耦合进干扰信号使滤波器失去作用。同样地滤波器输出线到开关电源的交流进线间的距离应尽量短，而且必须采用双绞屏蔽方式。交流的保护地线应单独走线，不应同220V的零、火线一起绞扭并共用一个屏蔽层，
　　开关电源的直流输出给测控系统提供工作电源，它的输出引线不应同交流馈线捆扎布线，不能共用一个屏蔽层和长距离平行走线，并且为了防止任何外界电、磁场干扰，也应采用双绞屏蔽的方式。
　　电源指示灯一般布置在各控制箱的前面板上，它的引线无论采用交流驱动还是直流驱动都应采用双绞屏蔽，尤其是直流驱动时更要如此。因为指示灯电源同系统工作电源并联，容易给系统耦合进干扰。
　　为了减小电源布线在控制箱中的走线长度，电源后面板引入插座、控制箱内开关电源以及前面板显示灯应安排在箱体的同一侧。
　　前面板上的电源开关一般为交流供电即滤波器后的220 V供电，它的走线不可避免要横穿整个控制箱，故其走线应严格双绞屏蔽。
　　每个控制柜的上方一般都安排系统散热风扇，其干扰往往容易被忽视。散热风扇有交、直流二类，因为直流风扇有电刷，易产生干扰噪音，故散热风扇不宜采用直流类。采用交流风扇时，其电源引线是引入干扰的主要途径，因此其电源布线应采用双绞屏蔽，而且在进入风扇前经过独立的滤波器滤波。
2.2　总体布线的电磁兼容设计
2.2.1　滑环结构及布线的电磁兼容设计
　　滑环是一个空间小、走线相当密集的部件，各种信号都在滑环内集中，因此各信号间的互感、互容效应较大。因为滑刷和环道接触处无法屏蔽，其电容耦合尤其严重。在滑环设计时应注意如下几点：①分配环道时将大、小信号，交、直流信号远距离分开安排；②易产生干扰的信号和易受干扰的信号线如激磁电源信号、反馈信号、无刷机的三相电源信号不仅要在分配环道时考虑分开，而且在环体内走线一定要采用双绞、三绞屏蔽，屏蔽层要一点接地；③关键信号要采用边界环道作为专门的屏蔽环道，即将信号二边的环道进行良好接地，以起到环道间的屏蔽作用。
　　电缆用于连接控制柜和台体信号，在设计电缆时，应区别不同类型的信号。易产生干扰的信号如激磁电源要严格双绞屏蔽，然后共用一个根电缆走线，反馈信号也如此。无刷机的A、B、C要三绞屏蔽，单独用一条电缆，不能同其它信号电缆捆扎一起长距离平行敷设。
2.2.2　感应同步器反馈信号及陀螺信号前置放大电路的设计及装配工艺
　　测角系统中感应同步器反馈信号及陀螺伺服中陀螺信号的前置放大电路设计在测试转台测控系统设计中最为关键，它是一个高输入阻抗、高增益和微小信号放大电路，因此除了遇到一般模拟电路中常见的干扰问题以外，还有其特殊之处。在设计前放时，应选用具有一定通频带的高精度、高增益的适合于差动信号放大的仪表放大器，同时还要满足单元电路的一点共地原则，采用整个一个印刷面作为大地平面。除了上述注意事项外，还应考虑到它是一个高输入阻抗电路，特别容易耦合进电容性干扰。为了减小容性耦合，首先要保证印刷板内表面的绝缘，必要时应采取板内屏蔽措施，即将高输入阻抗部分用印刷线在正反面包围起来，然后将屏蔽层接入电路中等电位的低阻抗部分，如电压跟随器的同、反相端用印刷线包围后应接至输出端。而反相放大器同、反相端隔离则应同系统中地相连，因为反相放大中同、反相端几乎为零电平。由于该电路具有高增益特性，任何输入端微小的噪音都可能造成输出端很大的干扰，而其同、反相输入端又极易引入干扰，故在设计时要避免其同任何易产生噪音的元器件相连，如可调电位器的滑动端等。同时，由于过长的引线容易引入噪音干扰，同、反相端的引线也不宜过长。
　　微小电压放大除了注意高增益时的注意事项之外，还应对高频辐射加以足够的注意。一般应将微小放大电路如感应同步器的前放、陀螺伺服的前放完全封闭在一个电磁屏蔽效果好的金属盒中，其引入、引出线也要严格屏蔽，在引线界面处也不应外露。
　　采用了严格的屏蔽后，有时可能还难以消除高频辐射造成的传导耦合。因此应在运放同外界连接点包括+Vs、-Vs、同、反相端和输出端都应接入一个高频特性都十分好的滤波电容，而且其布线不应过长。
　　此外，为了消除信号中的噪音，放大电路应设计为合适带宽的低通或带通滤波形式。
　　前放盒的安装位置直接影响系统的电磁兼容性，它必须安装在滑环前紧靠感应同步器转子处，而且要使调试人员调整方便。
2.3　接地系统
　　接地的目的是：①提供一个公共的参考电位；②220 V交流接地为保护接地，防止静电、雷击、漏电等；③提供屏蔽效果。
　　接地必须良好，以保证低阻抗性质，否则不仅无用，反而成为噪音传输途径。为了消除公共阻抗的耦合，接地应按如下方式进行：将系统中各种类型的单元电路加以区分，模拟信号地同数字信号地、强干扰信号地和机壳地分别各自先连接，然后在大地处一点共地。具体地讲，每个控制箱的地应通过导电性能好的铜排统一接地。各箱中的220 V电源地同机壳相连，然后通过电缆的屏蔽层并接到台体上。因为台体是一个大的金属体，可以作为一点接地处在此处接大地。
　　另外，当气浮轴工作时，台体中动和不动部分并不直接相连，这对于不同部分的元件如感应同步器的定、转子和无刷力矩电机的屏蔽来讲不利，故应在滑环中留出专门位置以便将台体各部分相连，以提供一个良好的低阻抗地通道。

3　结束语
　　本文详细讨论了测试转台测控系统研制过程中遇到的一些电磁兼容问题的解决办法，并结合某型空气轴承伺服转台进行了全面的实践，得出如下几点体会：
　　①电磁兼容是研制高精度测试转台中的一个至关重要的问题，一定程度上，它是决定系统精度和可靠性的最关键的因素，应引起足够的重视。
　　②电磁兼容问题自始至终贯穿测试转台测控系统的全部研制过程，决不仅仅是调试阶段的问题，因此必须在原理设计时就加以考虑。
　　③在解决电磁干扰问题时，应先认真区分干扰的性质，然后才能采取对症的措施。
　　④干扰源的抑制是解决电磁兼容问题的最有效方法。

作者简介：王茂，男，哈尔滨工业大学副研究员，从事惯性技术及自动控制理论研究。

作者单位：哈尔滨工业大学，哈尔滨　150001

参考文献：
［1］ 吴本炎.电子电路的电磁兼容性〔M〕.北京：人民邮电出版社，1982.
［2］ 山崎弘郎.电子电路的抗干扰技术〔M〕.北京：科学出版社，1989.
［3］ 朱正祥.惯性测试设备技术的研究与发展〔A〕.惯性技术发展专家研讨会文集〔C〕，1994-03.