慣性姿態(tài)敏感器典型電磁干擾現(xiàn)象研究*

付明睿，郭廷梅

(北京控制工程研究所，北京 100190)

慣性姿態(tài)敏感器是衛(wèi)星控制系統(tǒng)中重要的姿態(tài)測量部件之一，產(chǎn)品構(gòu)成一般為具備多通道冗余備份的陀螺組合件和配套的陀螺線路盒.線路盒包含二次電源和配套的陀螺儀驅(qū)動和檢測電路，一般情況下陀螺儀和配套的驅(qū)動檢測電路設(shè)計為通道間相互獨(dú)立的方式，以減小相互耦合，從而提高產(chǎn)品的可靠性.但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)單通道工作和多個通道共同工作時陀螺儀的檢測精度差別較大，嚴(yán)重時陀螺儀的角速率輸出信號還會產(chǎn)生低頻的振蕩現(xiàn)象.這種情況按照以往的經(jīng)驗(yàn)往往歸結(jié)于電路內(nèi)不同通道電路板間由于采用了不同的頻率源，進(jìn)而產(chǎn)生“拍頻干擾”，而采取的解決方案是將線路盒內(nèi)的頻率源進(jìn)行統(tǒng)一，將原有的多個電路板獨(dú)立頻率源改為公用的一路頻率源，同時為了提高可靠性對頻率源本身進(jìn)行備份.但此種方法使得整機(jī)可靠度下降，如果頻率源設(shè)計不合理或備份頻率源切換失敗，將導(dǎo)致整機(jī)失效，形成單點(diǎn)故障模式，因此往往還是希望能夠在保證精度的前提下采用獨(dú)立的頻率源系統(tǒng).近年中，也在這方面進(jìn)行了一定的嘗試，取得了一些效果，但是對于“拍頻干擾”問題始終沒有在理論分析和測試試驗(yàn)間得到充分的證實(shí)，因此開發(fā)新產(chǎn)品對如何抑制此類干擾沒有一個明確的原則和方法.

經(jīng)過這兩年對兩類慣性姿態(tài)敏感器產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)問題的分析和歸零，對拍頻干擾有了進(jìn)一步的認(rèn)識，并積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在拍頻機(jī)理和產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間建立了直接的聯(lián)系.對產(chǎn)品所采取的改進(jìn)措施也得到了較為充分的驗(yàn)證，該成果也可以為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計提供指導(dǎo).

1 拍頻的原理

拍頻干擾屬于電磁干擾(EMI，electromagnetic interference)的一種形式，電磁干擾現(xiàn)象的發(fā)生和響應(yīng)過程一定同時具備三個要素，即電磁干擾三要素:干擾源、傳播路徑和接收器，如圖1所示.

圖1 電磁干擾基本要素Fig.1 Three basic elements of EMI

其中干擾源可以是一個元器件也可以是一臺設(shè)備，它可能來自于有源部件的無意發(fā)射，也可能來自于無源部件(開關(guān)、轉(zhuǎn)換器)的干擾.受擾設(shè)備可以是元器件也可以是設(shè)備或系統(tǒng).傳播途徑可以分為傳導(dǎo)和輻射兩種，其中傳導(dǎo)傳輸必須在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接.輻射傳輸干擾則以電磁波的形式傳播，干擾能量按照電磁場的傳播規(guī)律向周圍空間輻射，而敏感器意外接收或感應(yīng)，從而引起輻射干擾.

一般所說的“拍頻干擾”在EMI術(shù)語中可歸類為“互調(diào)干擾”，其定義是:“兩個或兩個以上信號在非線性元件中混合，產(chǎn)生新的信號頻率分量，它們等于兩個信號頻率整數(shù)倍的線性組合，其干擾頻率是可以預(yù)測的.”例如，在系統(tǒng)中具有2個相近頻率信號f1和f2，當(dāng)它們都在系統(tǒng)中傳輸時，通過空間輻射以及系統(tǒng)中元件的作用耦合形成新的頻率信號，其頻率值是f1、f2的線性組合f3=a×f1+b×f2.

本文所提到一種典型干擾信號是以“差拍”的形式出現(xiàn)的，此時f3=f1－f2，可以認(rèn)為“差拍干擾”是互調(diào)干擾的一種特殊的表現(xiàn)形式，習(xí)慣直接稱為“拍頻干擾”.拍頻干擾的形成首先是在系統(tǒng)中存在2個相近頻率的信號，當(dāng)兩路信號在系統(tǒng)中傳播時，通過輻射發(fā)射作用耦合形成新頻率的干擾信號，其頻率是兩個頻率信號的差值，由于兩個信號之間存在微小的偏差，產(chǎn)生的拍頻信號頻率十分低，周期可達(dá)到幾秒到幾十秒.一般電路系統(tǒng)中對于如此低頻的信號是無法通過濾波方式濾除的，因此就形成了“拍頻干擾”現(xiàn)象.

2 典型拍頻干擾案例及解決措施

2.1 通道間拍頻干擾及解決方法

2.1.1 通道間拍頻干擾

慣性姿態(tài)敏感器的單通道電路一般采用晶體振蕩電路作為頻率源，通過多級分頻電路得到各類功能電路所需要的頻率信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動陀螺儀內(nèi)部相關(guān)元件工作.其單通道電路原理示意圖見圖2.某型號產(chǎn)品系統(tǒng)組成采用主備份電源驅(qū)動單通道電路板，電路板驅(qū)動配套陀螺儀的方案，其示意圖見圖3.

在該產(chǎn)品中，由于每個通道分別具有頻率源電路，在4個通道全部工作時，發(fā)現(xiàn)圖2中力矩器低端采樣電阻RS上的電壓存在低頻波動，經(jīng)電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路后，頻率輸出信號出現(xiàn)周期性波動，導(dǎo)致陀螺隨機(jī)漂移增大.而單通道電路工作時，產(chǎn)品輸出穩(wěn)定，隨機(jī)漂移較多通道工作時減小約1個數(shù)量級，這種現(xiàn)象就是典型的“拍頻干擾”.由于通道間除了電源系統(tǒng)外，沒有公共部分，所以認(rèn)為拍頻的干擾途徑包含電源系統(tǒng)的傳導(dǎo)和系統(tǒng)的空間輻射.通過對不同配置模式產(chǎn)品進(jìn)行針對性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將電源系統(tǒng)獨(dú)立配置，拍頻干擾現(xiàn)象有明顯減小，但相對單通道獨(dú)立工作時的精度，仍然還存在一定的差距.因此簡單的通過獨(dú)立電源系統(tǒng)消除傳導(dǎo)途徑還不能徹底避免拍頻干擾.

究其原因，在單通道系統(tǒng)中，由于頻率加溫電路、激磁電路、電機(jī)驅(qū)動電路的輸出信號都具有一定功率，當(dāng)電流沿著導(dǎo)線傳播時，會在其附近形成一定強(qiáng)度的電磁場.而仔細(xì)分析系統(tǒng)連接方式可以發(fā)現(xiàn)，各電路板的引出線在線路盒內(nèi)、電纜束中、陀螺組件內(nèi)部距離很近，有的甚至捆扎、絞合在一起.當(dāng)不同頻率的兩個功率信號在同一個電纜束中傳播時，其形成的電磁場具有一定的頻率差，此時其他敏感電路的引線由于電磁感應(yīng)的作用，將頻率為Δf的信號接收到設(shè)備中，影響了產(chǎn)品的正常輸出.

2.1.2 拍頻干擾的解決方法

傳統(tǒng)的處理方法是將圖3的系統(tǒng)連接改為圖4的形式，為4個通道配置統(tǒng)一的頻率系統(tǒng).這樣，由于系統(tǒng)中各功率電路和弱信號檢測電路使用的頻率源相同，即使存在信號的延遲，其相位差也是固定的，不具有產(chǎn)生差頻信號的條件，從而可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綜合的電磁兼容性.

圖4 統(tǒng)一頻率源配置模式Fig.4 One configuration with uniform frequency source

但同時在測試中也發(fā)現(xiàn)，為了保證頻率源A和頻率源B能夠?qū)崿F(xiàn)熱備份，實(shí)際電路中A、B頻率源的晶體振蕩器均處于工作狀態(tài)，通過奪權(quán)檢測電路實(shí)現(xiàn)故障切換.在測試中用示波器可以在頻率發(fā)生電路的信號線上發(fā)現(xiàn)附加的低頻的抖動，抖動幅度大約在十幾毫伏，關(guān)閉其中任意一路頻率源后，此低頻抖動隨即消失.這個現(xiàn)象說明，拍頻現(xiàn)象在多頻率源電路中是普遍存在的，圖4的整機(jī)配置方案之所以沒有導(dǎo)致產(chǎn)品性能受擾的原因是電路中后級的功率電路使用了統(tǒng)一的頻率源系統(tǒng)，消除了大電流信號空間輻射效應(yīng)產(chǎn)生拍頻的可能.而頻率源備份電路中的信號由于電流很小，電磁輻射也很低，僅能在附近的電路中檢測到小幅的干擾，未能對整機(jī)性能造成影響.

另一種解決方法是仍然采用圖3的整機(jī)配置模式，但是對不同通道的頻率源進(jìn)行調(diào)整.整機(jī)內(nèi)部存在干擾信號是必然的，因此可以通過改變干擾源的特性來保證最終產(chǎn)品性能.對于本產(chǎn)品來說，敏感電路的通頻帶一般不大于20Hz，如果將拍頻的干擾信號頻率調(diào)整到敏感電路的有效頻帶外，即使存在較強(qiáng)的干擾，也不對產(chǎn)品性能造成影響.采用此方案需要針對產(chǎn)品特點(diǎn)分析電路中哪個主要的干擾源頻率產(chǎn)生了通道間的差拍效應(yīng)，并通過實(shí)測得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過調(diào)整不同通道晶體振蕩器的頻率，增加不同功率信號間的頻率差，這樣產(chǎn)生的拍頻干擾信號頻率提高，一般當(dāng)其大于敏感電路的截止頻率的10倍后，拍頻干擾基本可以完全消除.

實(shí)際工作中將4個通道的頻率源進(jìn)行了交錯的設(shè)置，將不同通道電路產(chǎn)生的主要功率信號的頻率差拉大，差值超過了敏感電路頻帶約10倍左右，達(dá)到約200Hz.然后再對產(chǎn)品進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)，其檢測精度相比之前有了明顯提高，雖然沒有完全達(dá)到單通道測試的水平，但在工程上已經(jīng)完全可以接受.

2.2 單通道內(nèi)的拍頻干擾及解決措施

2.2.1 干擾現(xiàn)象

除了上述常見的通道間的拍頻干擾外，還有一種常見的通道內(nèi)的拍頻干擾現(xiàn)象.有些產(chǎn)品單通道電路在設(shè)計上將圖2改為了圖5的形式，將原有的頻率源改為2個頻率源(更改的原因與本文無關(guān)，不加贅述).

圖5 單通道系統(tǒng)連接圖Fig.5 Sketch of connection of single channel system

在該產(chǎn)品單通道系統(tǒng)中新加入的頻率源2是為加溫電路提供頻率的，它采用4060芯片和外部阻容構(gòu)成簡單可靠的振蕩電路，但是由于阻容受溫度影響比較顯著，因此在環(huán)境溫度變化的情況下，頻率源2輸出的頻率會存在一定的溫度漂移.而系統(tǒng)中的頻率源1采用的是石英晶體振蕩器，其溫度漂移則基本可以忽略.

在實(shí)際產(chǎn)品研制中發(fā)現(xiàn)整機(jī)中某些通道陀螺儀輸出在環(huán)境溫度變化后會出現(xiàn)低頻波動的現(xiàn)象，如圖6所示.

圖6 某產(chǎn)品在45℃環(huán)境下輸出振蕩波形Fig.6 Abnormal output wave of one product under 45℃circumstance

針對陀螺輸出的V/F轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)，電路中積分器輸出端的信號在不同環(huán)境溫度下呈現(xiàn)出明顯不同的情況，如圖7所示.

正常情況下V/F電路采集陀螺力矩器采樣電阻上的電壓進(jìn)行積分，并通過反饋電路完閉環(huán)，當(dāng)V/F轉(zhuǎn)換電路的輸入為穩(wěn)定的直流信號時，積分器輸出應(yīng)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的三角波形態(tài)，如圖7a(正電壓輸入時).電路在高溫異常情況下，積分器的輸出波形明顯呈現(xiàn)上下波動的情況，如圖7b，此信號說明積分器的輸入信號已經(jīng)不是穩(wěn)定的正電壓直流信號，而是具有直流偏置的交流信號.由于此時陀螺儀的外界條件沒有任何變化，因此可以判斷該干擾是由于電路中的溫度漂移所導(dǎo)致的.

經(jīng)過詳細(xì)測試，發(fā)現(xiàn)電路中溫度漂移最大的地方是頻率源2所產(chǎn)生的振蕩頻率，為了模擬溫度漂移對電路的影響，直接用信號發(fā)生器代替頻率源2，手動調(diào)整輸出頻率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在調(diào)整過程中，可以明顯發(fā)現(xiàn)積分器的輸出隨著頻率的調(diào)整發(fā)生變化，非常一致的復(fù)現(xiàn)出了故障現(xiàn)象.

圖7 不同溫度條件下積分器輸出端波形Fig.7 Integrator output wave at different temperatures

2.2.2 原因及其解決方法

從圖5中的系統(tǒng)圖可以看出，頻率源2主要是給陀螺加溫電路提供調(diào)寬式的脈沖加溫信號，由于加溫電流較大，在系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁輻射也很顯著.而陀螺儀的控制回路是采用頻率源1所產(chǎn)生的分頻信號進(jìn)行閉環(huán)控制的，如果加溫信號的頻率接近陀螺控制回路主頻率的整數(shù)倍，則很容易形成本文第一節(jié)所形容的“互調(diào)干擾”，當(dāng)此干擾頻率落在陀螺儀控制主回路的頻帶內(nèi)時，就會在陀螺儀的輸出信號上檢測到低頻干擾現(xiàn)象.

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)調(diào)整頻率源2的頻率是陀螺儀控制回路主頻率的整數(shù)倍時都能夠檢測出陀螺儀輸出出現(xiàn)低頻振蕩的現(xiàn)象，比較有意思的現(xiàn)象是，當(dāng)整數(shù)倍是2的n次方時，低頻振蕩的現(xiàn)象越嚴(yán)重，這可能與干擾信號的互調(diào)模式有關(guān).但該現(xiàn)象為后續(xù)產(chǎn)品的調(diào)試提供了比較有意義的借鑒，在實(shí)際工作中首先設(shè)計將頻率源2遠(yuǎn)離陀螺控制主頻率的2n倍的頻率點(diǎn)，再要求調(diào)試時將其精調(diào)到兩個整數(shù)倍之間的頻率.同時，為了驗(yàn)證溫度漂移可能帶來的影響，還需要對產(chǎn)品進(jìn)行溫度循環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)，以確認(rèn)調(diào)試的結(jié)果能夠保證產(chǎn)品在工作溫度范圍內(nèi)可以可靠工作.

深入分析該問題的原因，該故障是由于單通道的系統(tǒng)中配置了2個頻率源，其中頻率源2是產(chǎn)生電磁干擾的源頭.而使用頻率源2的加溫電路是大功率電路，其通過的電流信號較大，并采用固定頻率的調(diào)寬控制方式，使得電磁干擾能夠以一定的功率發(fā)射出去.同時，陀螺主控回路本身也使用頻率源1產(chǎn)生陀螺傳感器激磁等具有一定功率的頻率信號，這兩種信號在空間耦合，構(gòu)成了電磁干擾的傳播途徑.最后，由于陀螺主控回路的頻帶一般在20Hz以下，當(dāng)干擾信號互調(diào)后形成的干擾頻率落在主控回路的頻帶以內(nèi)時，陀螺電路的輸出就會受到明顯的干擾.

從目前產(chǎn)品上所采取的措施看，實(shí)際上是采取改變干擾源特性的方法，使干擾信號的頻率落在陀螺主控回路頻帶以外，從而解決干擾問題.參考電磁干擾產(chǎn)生的三要素，還可以通過切斷干擾源、提高受擾電路的抗干擾能力等方法.例如，對重點(diǎn)的功率信號采取更加嚴(yán)格、有效的屏蔽措施消除空間輻射干擾，或者采取平衡電路的設(shè)計方式，提高敏感電路的抗共模干擾能力等.

3 對整機(jī)電磁兼容設(shè)計的建議

通過上述分析，在設(shè)計多通道或具有多個頻率源的電路時，應(yīng)注意對拍頻干擾的控制.這類干擾通過具有一定電流的功率驅(qū)動電路產(chǎn)生，其產(chǎn)生的低頻干擾信號在整機(jī)線路中擴(kuò)散，可能對電路內(nèi)敏感電路造成影響，降低產(chǎn)品的性能.

本文所描述的2個典型案例中的解決方案是在分析了工程成本后，采取的相對簡單、有效的方法，但對于新研發(fā)的產(chǎn)品建議在設(shè)計之初充分考慮電磁干擾的基本要素，在3個方面都采取有針對性的措施，通過降低電路輻射、提高敏感電路抗干擾能力，采取適當(dāng)?shù)钠帘巍⒔拥亍⒋罱哟胧﹣碛行Ы鉀Q電磁干擾問題.當(dāng)然，這需要根據(jù)不同產(chǎn)品的實(shí)際情況進(jìn)行有針對性地分析和具體的試驗(yàn)驗(yàn)證.

4 結(jié)論

通過對慣性姿態(tài)敏感器電路典型電磁干擾案例的研究，基本摸清了拍頻干擾的成因與干擾機(jī)理，在兩類典型產(chǎn)品中采取獨(dú)立頻率源和頻率源頻率錯開的方式可以達(dá)到消除拍頻干擾的目的，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有效.經(jīng)過分析研究，提出了在系統(tǒng)設(shè)計中有效減小干擾的原則，對今后同類產(chǎn)品的設(shè)計和調(diào)試具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義.

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