某型水下探测器舵机的电磁兼容设计

解全泽， 康新华， 李滟津， 张惠文

（山西汾西重工有限责任公司设计研究所， 山西 太原 030027）

引言

为了适应新时期现代化建设需求，水下探测器在海洋的开发领域中发挥着越来越重要的作用。根据不同需求搭载仪器和系统，可完成水底地形地貌探测、海洋环境搜集、搜寻探矿和水下安全检查等。舵机作为水下探测器的执行机构，其电磁兼容性能直接关系到水下探测器的任务执行，电磁兼容要求满足GJB 151《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》（潜艇平台）。由于水下探测器空间结构限制，在狭小空间内有舵机、大功率无线电台、推进电机控制器、漏液检测装置等，不可避免地使舵机电磁兼容问题更加突出。因此在舵机设计的早期阶段，就要充分考虑产品电磁兼容性，才能减少返工，节约人力及物力的成本。

1 舵机组成及功能

舵机主要由控制器、伺服电机、减速机构和角度传感器等部分组成，见图1。舵机根据中央控制单元发出的操舵指令，操纵舵板偏转，从而控制水下探测器的航行姿态或航行轨迹。

图1 舵机组成框图

2 舵机电磁兼容性设计

舵机的电磁兼容性设计重在前期阶段对干扰器件和干扰电路识别，舵机调速采用PWM脉宽调制，是当前运用成熟的技术，但有较大的电压变化率dV/dt和电流变化率dI/dt，电磁干扰较强。因此，在电磁兼容性设计中要充分考虑空域、频域、时域、能域和传导回路等五个方面，对电磁干扰三要素（敏感设备、干扰源、传输路径）加以控制。电磁兼容设计应遵守电磁兼容设计规范，从器件、电路、组件、部件逐级进行考虑。

2.1 控制器电磁兼容设计

2.1.1 硬件设计措施

首先结合舵机电路图进行设计优化，尽量减少元件数量和连线，提高产品的可靠性。器件选型电源模块选用带屏蔽壳体的隔离电源转换模块，对不同的功能单元采用各自独立供电。电流传感器选用霍尔电流传感器，根据霍尔效应的原理检测，实现与功率主电路完全隔离。电阻电容等分立器件选用贴片元件，减小寄生电感和电容。

印制板设计选用抗干扰能力强的四层电路板，在中间两层放置地层与电源层，降低电源线和地线的阻抗。上下两层放置信号线，有最小的信号与地线环路。对强弱信号划分区域，布线按照3W规范，尽可能的短，间距尽可能的宽。布线宽度在能满足电气性能要求情况下，还要考虑在大电流情况下的温升。在对灵敏的低电平电路比如DSP系统，对外围电路例如控制子系统、功率驱动电路、上位机通讯，均采用光电隔离以消除接地环路中可能产生的干扰。

2.1.2 软件设计措施

软件抗干扰设计采用容错技术，应用看门狗定时器监视系统软件和硬件的运行，定时刷新并存储关键参数到存储器中，当CPU因为干扰而运行紊乱时，可以完成系统的复位功能。

在软件中采用采样滤波技术，并对参数设置边界值，防止因为电磁干扰影响数据。

2.1.3 控制盒体设计措施

舵机控制盒选用铝合金导电氧化，盒盖和盒体间利用导电橡胶条，建立了控制盒完整的电磁屏蔽结构。

接插件与控制盒之间通过导电衬垫连接，确保接插件与壳体的可靠接触。

控制盒内根据强弱电路板设置金属屏蔽板进行空间划分，防止强弱信号的相互影响。

电源滤波器外壳与控制盒直接搭接并安装在控制盒内壁，确保电源输入线首先经过滤波器进行滤波，在由滤波器输出到引线输出。

2.2 外围元件电磁兼容设计

伺服电机选用直流无刷电机，壳体采用导电氧化进行电磁屏蔽。定子采用斜槽设计，能有效消除电机转动电磁脉动。电机电源和信号线均使用屏蔽线，以防系统之间的骚扰耦合。对动力电源线强干扰信号传输使用外屏蔽双绞线。由于设备电缆较短，采用了电缆屏蔽层两端与接插件尾部环形连接，防止系统之间的骚扰耦合。如果要求获取更高的屏蔽效能，可使用专用EMI滤波器接插件，如滤波连接器等。既可以对信号滤波，又可实现屏蔽。在电机电源和信号线上增加铁氧体磁珠，滤除电机的高频干扰。

在设计中尽可能地增大角度传感器的输入电压，提高采样输入的分辨率，减小电磁干扰的影响。

3 电磁兼容测试

为验证舵机电磁兼容设计的有效性，对舵机的电磁发射和敏感度进行测试，项目包含CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103。针对舵机电磁兼容未通过项目CE102，分析原因为电机的电感量较小，虽然在动力电源线输入端有电源滤波器，其传导发射干扰仍然较大，处理措施为在电源线上串入大电感。舵机电磁兼容未通过项目RE102，分析舵机干扰源主要为强电回路，对电机电磁屏蔽进行检查，发现电机出线屏蔽层与电机壳体没有良好搭接，造成电机的电磁泄漏，通过对电机出线屏蔽层进行处理，保证了电机出线孔的封闭性。通过采取上述两项电磁兼容措施，经试验验证效果显著。

4 结语

本文通过舵机研制过程电磁兼容设计介绍，并对电磁兼容测试发现的电磁兼容问题，采取措施通过电磁兼容性测试，满足水下探测器使用要求，最大程度节约经济成本。电磁兼容设计是一个循序渐进的过程，而在研制过程中的经验和教训对其他产品电磁兼容性设计和优化有一定的借鉴意义。