某类大型复杂机电系统的电磁兼容性研究*

杜 鹏 董琳琳

(91550部队91分队 大连 116023)

某类大型复杂机电系统的电磁兼容性研究*

杜 鹏 董琳琳

(91550部队91分队 大连 116023)

文章对电磁兼容性(EMC)的概念及电磁干扰的来源进行了介绍,并介绍了某类大型复杂机电系统存在的主要干扰及干扰测量方法,从抑制干扰源、切断传播途径、提高敏感器件的抗干扰性能三个方面阐述了干扰防护措施。

电磁兼容性;电磁干扰;干扰测量

Class NumberV211.7

1 引言

本文所说的大型复杂机电系统通常在电磁场条件比较恶劣的环境中进行试验,包括本身的各类发射机、接收机、转发器等在系统本身和周围产生多个频段的电磁信号,在各种倍频、分频、混频电路中又会产生很多频段的电磁干扰,加上各种测控、通信设备发送的强电磁信号,以及内部供电系统和多种不确定的干扰源,各种电磁干扰威胁着整个系统的正常运行,使系统在测试、发射、飞行过程中发生故障。

检测信号和指令信号中混入干扰信号后,可能扰乱程序的正常执行,使指令信号失常,检测信号异常;存储器或寄存器中的数据可能由于受到干扰而改变;环境中的电磁信号干扰和系统内部的相互窜扰,更是极大地威胁着系统中计算机和数字系统工作的稳定性、可靠性和安全性,干扰严重时还可能使设备的微处理器不能正常工作,出现计算机死机现象。

对于工作密级较高的试验场所而言,设备的电磁泄漏也同样威胁着系统的信息安全,如计算机的键盘、显示屏等都会使信息辐射泄漏出去,这些信息,一旦被敌方截获,将会造成巨大损失。

因此,有效地抑制和防护电磁干扰是这类大型复杂机电系统试验中必须进行的工作。

2 EMC相关概念

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指电子、电器设备共处一个环境中能互不干扰、兼容工作的能力,对于一个设备,既要求它不产生过大的干扰使其它设备工作失常,也要求它具有一定的抗干扰能力,以保证在其他设备发出的干扰环境下能正常工作。

电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)是指任何能中断、障碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。

电磁敏感度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)即设备、分系统或系统暴露在电磁辐射下所呈现的不希望有的响应程度。电磁敏感度也分为辐射敏感度和传导敏感度。

系统和分系统的EMI和EMS是其重要的特性,只有控制和限制它们才能实现EMC。

图1 电磁兼容三要素

电磁兼容三要素是干扰源(骚扰源)、耦合通路和敏感体。切断以上任何一项都可解决电磁兼容问题,如图1所示。图中RE为辐射发射,RS为辐射敏感度,CE为传导发射,CS为传导敏感度。

电磁兼容的解决方案常用的方法主要有屏蔽、接地和滤波,但是这三者或者这三者以外的方案有着必然的联系。

3 大型复杂机电设备存在的主要干扰及来源

3.1 系统内部的电磁干扰

1)天线间的干扰。系统中天线间的辐射干扰为主要的电磁干扰,由于系统内部空间狭小,天线布置不合理可能产生严重的射频辐射危害。

2)单线制电网公共地线干扰。采用单线制供电方式的设备主电网,一般将设备壳体作为电源负线,在公共地线上会汇集所有瞬态干扰和噪声干扰,沿着设备壳体送给所有用电设备。

3)电源脉动电压干扰。设备中的直流发电机和二次电源,以及地面检测用的直流电源都存在脉动电压(波纹电压)。其频带较宽,在0.01kHz～200kHz内能产生较强的低频磁场,沿着电源线耦合进入所有用电设备,产生脉动电压干扰,其中峰值干扰最严重,尤其对低电平信号影响较大。

4)瞬态干扰。设备中发电机电压调节和负载变化,都会产生电压瞬态变化过程,其尖峰电压和浪涌电压虽然时间很短,但峰值很高。

5)导体间的交叉干扰。线间耦合是系统中仅次于天线耦合的一种重要耦合途径,而在设备中则是居首位的干扰原因。

6)屏蔽和接地引发的干扰。设备上高频设备如雷达发射机、遥测发射机和无线电高度表发出的射频能量由设备上缝隙或小舱口渗透到设备内,将产生很大的电磁泄漏,造成严重的干扰。

3.2 其他外来干扰

如人为干扰中的工业干扰、无线广播电视信号、移动通讯信号,自然干扰中的雷电和静电放电、天电干扰、宇宙干扰信号以及其它外来干扰信号等。

4 EMC技术的应用

4.1 干扰的测量

要彻底解决大型复杂机电系统中存在的干扰问题,关键是要对系统接受的电磁辐射进行定量测量,然后再进行有针对性的防护。EMC测试必须依据EMC标准和规范给出的测试方法进行,并以标准规定的极限值作为判据。文献[1]指出,EMC测量的三个关键是:

1)测量产品的传导干扰和辐射干扰,测量产品所处的电磁环境,测量一个系统电源的EMI特性等来摸清干扰源的特性;

2)测量滤波器、屏蔽壳体、接地系统的特性,测量屏蔽材料、导电衬垫、电磁波吸收材料的衰减特性、天线耦合度、电缆串音等来摸清干扰路径(耦合通路)的特性;

3)测量传导敏感度和辐射敏感度,测量系统中设备的EMC安全裕度、安全放电(ESD)、雷电放电等来摸清受扰设备(敏感体)的响应特性。

在对大型复杂机电系统实际的测试中,可以根据大型复杂机电系统的特点及干扰类型选择测量方法、测量设备和试验场地。例如对辐射干扰的测量,我们一般选择椭圆形开阔场或半电波暗室;测量接收机为30～1000MHz,满足 GB/T6113.1;天线选用对数偶极子天线或双锥天线,满足GB/T6113.1;接地平板符合GB/T6113.1。

测量方法及步骤:

1)将天线取水平极化方向并置于某一适当高度,转台置于某一适当角度,在30～1000MHz范围内用峰值检波进行初测;

2)在0°～360°之间旋转转台,在初测时干扰较大的频率点上,寻找被测设备最大干扰电平(准峰值);

3)在1～4m高度范围内升降天线,寻找该频率点上的最大干扰电平;

4)改变天线极化方向,改为垂直极化,重复上述测量。

4.2 干扰的抑制和预防

抑制和防护干扰的基本原则是:抑制干扰源,切断干扰传播路径,提高敏感器件的抗干扰性能。

大型复杂机电系统由许多电子设备构成,电源、电子元件、继电器、电路板、单片机、导线等是构成这一系统的基础单元。只有充分考虑到这些基本单元的EMC特性,才能对整个系统的干扰作出有效的防护和抑制。下面就从三个方面出发具体谈谈大型复杂机电系统抗干扰的具体措施。

4.2.1 抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的du/dt,di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

针对具体的测控设备,抑制干扰源的常用措施如下:

1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K到几十K,电容选0.01μ F),减小电火花影响。

3)给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。

4)电路板上每个IC要并接一个0.01μ F～0.1μ F高频电容,以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果。

5)设备内部布线时避免90°折线,减少高频噪声发射。

6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

4.2.2 切断传播途径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰,其中电源噪声的危害最大,要特别注意处理。高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰,一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。

切断干扰传播路径的常用措施如下:

1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。

3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。

4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机,继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

5)用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地。

6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

7)在单片机I/O口,电源线,电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器,屏蔽罩,可显著提高电路的抗干扰性能。

4.2.3 提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的获取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。

提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:

1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。

2)布线时,电源线和地线要尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。

3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

4)对单片机使用电源监控及看门狗电路,如:IMP809,IMP706,IMP813,X25043,X25045 等 ,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

6)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。

5 结语

本类大型复杂机电系统中的电子仪器、电子设备较多,系统复杂程度高,对电磁干扰的治理和防护是设计和测试工作中应予以高度重视的内容。系统全面地分析本类大型复杂机电系统的电磁环境是顺利开展系统试验工作的首要前提,依据EMC标准对系统存在的电磁辐射进行定量测量是必要条件,只有较为全面地考虑到电磁干扰影响并积极地加以防治,降低干扰程度,才能较好地发挥系统效能。

[1]方承远.电气控制原理与设计[M].银川:宁夏人民出版社,1989

[2]王新贤,蒋富瑞.实用计算机控制技术手册[M].济南:山东科学技术出版社,1994

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[5][美]凯瑟.航空和航天系统的电磁干扰控制[M].宇航出版社,2000

[6][美]电磁干扰及控制[M].金华科技图书股份有限公司印行,1999

[7][美]B.E.凯瑟.电磁兼容原理[M].北京:电子工业出版社,2002

[8][日]山崎弘郎.电子电路的抗干扰技术[M].北京:科学出版社,2001

Research on the EMC of Some Large-sized Complicated Electro-mechanical System

Du Peng Dong Linlin
(Unit 91,No.91550 Troops of PLA,Dalian 116023)

In this paper,the concept of electro-magnetic compatibility(EMC)and electromagnetic interference sources are firstly introduced,then based on some large-sized complicated electro-mechanical system,several sources of interference and interferences measurement methods are also introduced.At the end of this paper,interference prevents methods as how to depress interference sources,chop propagation path,increase the anti-interference of sensitive device are illustrated in detail.

EMC,electromagnetic interference,jamming measure

V211.7

2010年8月27日,

2010年9月28日

杜鹏,男,工程师,研究方向:试验测控。董琳琳,女,工程师,研究方向:制导和控制。