解全澤， 康新華， 李滟津， 張惠文

（山西汾西重工有限責任公司設計研究所， 山西 太原 030027）

引言

為了適應新時期現(xiàn)代化建設需求，水下探測器在海洋的開發(fā)領域中發(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。舵機作為水下探測器的執(zhí)行機構，其電磁兼容性能直接關系到水下探測器的任務執(zhí)行，電磁兼容要求滿足GJB 151《軍用設備和分系統(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構限制，在狹小空間內有舵機、大功率無線電臺、推進電機控制器、漏液檢測裝置等，不可避免地使舵機電磁兼容問題更加突出。因此在舵機設計的早期階段，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 舵機組成及功能

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

圖1 舵機組成框圖

2 舵機電磁兼容性設計

舵機的電磁兼容性設計重在前期階段對干擾器件和干擾電路識別，舵機調速采用PWM脈寬調制，是當前運用成熟的技術，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。因此，在電磁兼容性設計中要充分考慮空域、頻域、時域、能域和傳導回路等五個方面，對電磁干擾三要素（敏感設備、干擾源、傳輸路徑）加以控制。電磁兼容設計應遵守電磁兼容設計規(guī)范，從器件、電路、組件、部件逐級進行考慮。

2.1 控制器電磁兼容設計

2.1.1 硬件設計措施

首先結合舵機電路圖進行設計優(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換模塊，對不同的功能單元采用各自獨立供電。電流傳感器選用霍爾電流傳感器，根據(jù)霍爾效應的原理檢測，實現(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。

印制板設計選用抗干擾能力強的四層電路板，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)、功率驅動電路、上位機通訊，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 軟件設計措施

軟件抗干擾設計采用容錯技術，應用看門狗定時器監(jiān)視系統(tǒng)軟件和硬件的運行，定時刷新并存儲關鍵參數(shù)到存儲器中，當CPU因為干擾而運行紊亂時，可以完成系統(tǒng)的復位功能。

在軟件中采用采樣濾波技術，并對參數(shù)設置邊界值，防止因為電磁干擾影響數(shù)據(jù)。

2.1.3 控制盒體設計措施

舵機控制盒選用鋁合金導電氧化，盒蓋和盒體間利用導電橡膠條，建立了控制盒完整的電磁屏蔽結構。

接插件與控制盒之間通過導電襯墊連接，確保接插件與殼體的可靠接觸。

控制盒內根據(jù)強弱電路板設置金屬屏蔽板進行空間劃分，防止強弱信號的相互影響。

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

2.2 外圍元件電磁兼容設計

伺服電機選用直流無刷電機，殼體采用導電氧化進行電磁屏蔽。定子采用斜槽設計，能有效消除電機轉動電磁脈動。電機電源和信號線均使用屏蔽線，以防系統(tǒng)之間的騷擾耦合。對動力電源線強干擾信號傳輸使用外屏蔽雙絞線。由于設備電纜較短，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，又可實現(xiàn)屏蔽。在電機電源和信號線上增加鐵氧體磁珠，濾除電機的高頻干擾。

在設計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

為驗證舵機電磁兼容設計的有效性，對舵機的電磁發(fā)射和敏感度進行測試，項目包含CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103。針對舵機電磁兼容未通過項目CE102，分析原因為電機的電感量較小，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。舵機電磁兼容未通過項目RE102，分析舵機干擾源主要為強電回路，對電機電磁屏蔽進行檢查，發(fā)現(xiàn)電機出線屏蔽層與電機殼體沒有良好搭接，造成電機的電磁泄漏，通過對電機出線屏蔽層進行處理，保證了電機出線孔的封閉性。通過采取上述兩項電磁兼容措施，經(jīng)試驗驗證效果顯著。

4 結語

本文通過舵機研制過程電磁兼容設計介紹，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)濟成本。電磁兼容設計是一個循序漸進的過程，而在研制過程中的經(jīng)驗和教訓對其他產(chǎn)品電磁兼容性設計和優(yōu)化有一定的借鑒意義。