電磁兼容技術在某武器系統(tǒng)設計中的應用

張 穎，蘭光武,韓冬梅，李柄鵬，陳三強

(1.兵器工業(yè)第58所，四川 綿陽 621000； 2.國營第157廠，成都 611930；3.成都石化工業(yè)學校，成都 611930； 4.國營第451廠，重慶 400032)

【裝備理論與裝備技術】

電磁兼容技術在某武器系統(tǒng)設計中的應用

張 穎1，蘭光武2,韓冬梅3，李柄鵬2，陳三強4

(1.兵器工業(yè)第58所，四川 綿陽 621000； 2.國營第157廠，成都 611930；3.成都石化工業(yè)學校，成都 611930； 4.國營第451廠，重慶 400032)

某武器系統(tǒng)是火力控制與運動控制相結合的自動化裝備，其運行穩(wěn)定性、可靠性受電磁干擾影響；通過對其結構、材料、電器元件、電路方式、電路卡等的電磁兼容性進行了分析，在零部件設計與布局、裝配方法、元件自身抗電磁干擾、單元互抗電磁干擾、信號隔離、電路布線、接地、電路屏蔽以及濾波等方面采取措施；按照GJB151A對電子設備相關要求進行了電磁兼容性試驗，證明該系統(tǒng)滿足各項性能指標，系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。

電磁兼容；濾波；隔離；接地

隨著信息技術的發(fā)展，武器系統(tǒng)集成電氣設備日益增多，而且電氣設備的頻率、帶寬日益增寬，發(fā)射功率逐漸增大，信息傳輸速率增快，信號靈敏度提高。因此，電磁兼容設計在武器系統(tǒng)中越來越受到重視，由于電子設備的性能直接關系到武器系統(tǒng)的使用。設計電磁兼容成為武器研發(fā)中不可或缺的一項。

某武器采用火力控制單元與運動控制單元相結合的方式，系統(tǒng)自動化程度高、反應速度快。因此，在武器系統(tǒng)的設計中，充分考慮系統(tǒng)電磁兼容技術。在電路設計中，特別是運動控制電路板設計從信號隔離、布線、接地、屏蔽以及濾波等多個方面，對電磁兼容進行了充分考慮。試驗結果證明：通過采取電磁兼容設計措施，可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，從而保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、工作正常。

1 武器系統(tǒng)簡介

該武器系統(tǒng)是一種可以安裝在多種平臺上的相對獨立的模塊化、通用化武器系統(tǒng)。不需要人工直接操控武器，而是基于視頻圖像和電機驅動實現(xiàn)遙控。遙控操作可使射手位于武器平臺的任何位置，而武器平臺的保護裝甲可以避免戰(zhàn)士和敵人面對面對抗，提高戰(zhàn)士戰(zhàn)場生存能力，免受有毒氣體和噪聲的危害。

該武器系統(tǒng)主要由火力系統(tǒng)、火控系統(tǒng)和輔助設備3部分組成。

火力系統(tǒng)主要包括槍塔和槍身。槍塔主要包括觀瞄組件、驅動控制組件、車載機組件、高低機、方向機和電路旋轉連接器等主要設備，這些設備都集成安裝在炮塔上。是整個系統(tǒng)的基本架構。

火控系統(tǒng)主要包括觀瞄裝置、驅動控制箱、電機、高低/方位編碼器、操控箱等。其中驅動控制箱主要由運動控制電路卡、方位/高低電機驅動器等組成，驅動控制箱與成員操控箱之間的通信與信息交互通過CAN總線實現(xiàn)。該武器火控系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

輔助設備主要包括接插件、電路旋轉連接器和連接線纜等。

在該系統(tǒng)設計過程中，既要考慮研制的每臺電子設備本身要能抵抗一定的外來電磁干擾，保持自身正常工作，又要考慮自身不能產(chǎn)生對其他電子設備的電磁干擾。即既要滿足有關標準規(guī)定的電磁敏感度極限值要求，又要滿足其電磁發(fā)射極限值要求。在火控電子設備設計中采用了多種屏蔽和濾波的電磁兼容處理方法，合理地進行電子、結構設計，同時兼顧了可維修性和可靠性。在設備總體布置、電子板卡設計、電線和電纜布線、電纜線的屏蔽、設備的搭接和接地、靜電防護、外界電磁環(huán)境的影響等多方面充分考慮了電磁兼容性的要求。

2 箱體結構電磁兼容性設計

2.1 電磁屏蔽設計

在進行工程設計時，武器系統(tǒng)各設備單體機箱做了以下屏蔽處理：機箱選用鋁合金材質，可有效地對電場進行屏蔽；增加縫隙配合深度，減少縫隙長度，在蓋板與箱體、面板與箱體、插座安裝板與箱體、插座與其安裝板等結合面安裝導電橡膠板，在接縫處涂導電涂料?？s短螺釘間距等。從而盡量減少結構的不連續(xù)性，以便控制經(jīng)各側板和機箱進出的輻射泄漏，提高縫隙處屏蔽效能；在有顯示屏的設備前安裝屏蔽玻璃；箱體與各蓋板采用導電氧化表面處理工藝。

2.2 地線接地設計

在進行工程設計時，該武器系統(tǒng)考慮了以下接地技術：

1) 系統(tǒng)內部各電氣設備的機殼上專門增加了接地螺柱，產(chǎn)品的殼體通過接地線搭接到車體上，為產(chǎn)品和車體之間建立低阻抗通路，并提供基準電位，抑制電磁環(huán)境對設備的干擾；

2) 系統(tǒng)信號地采用懸浮接地；

3) 設計中還采用把數(shù)字地與模擬地相對分開、信號地與機殼地相對分開、大信號地與小信號地相對分開等措施來達到良好的電磁兼容性；

4) 盡量采用單點接地，如果電路在多點接地時，地線上的噪聲就會耦合進電路(地環(huán)路干擾)。此時，信號源與放大器連接的噪聲分析：如RC1和RC2是連接源和負載的導線電阻。連接源的地線和負載的地線不在同一點，兩個地線之間就會有地線噪聲電壓VG。若：RC2<

VN=[RL/(RL+RC1+RS)][RC2/(RC2+RG)]VG

只要將源或負載側的地線之一斷開，采用單點接地就可以解決這個問題。

5) 接地技術嚴格按照電磁兼容設計規(guī)范，接地處理符合要求。

2.3 信號濾波設計

互聯(lián)信號線、數(shù)據(jù)線不加處理穿過機箱，會破壞機箱的電連續(xù)性，出現(xiàn)電磁兼容性中的輻射和敏感度超標，需對各引線進行電磁兼容處理。信號線根據(jù)頻率的不同，選擇不同濾波性能的濾波器，可滿足電磁兼容性的要求。

1) 由于電纜穿過機殼使整體屏蔽效能降低。電源線進入機殼前，全部先通過電源濾波器濾波處理；

2) 信號線，控制線通過適當?shù)臑V波器進入/穿出機殼時；

3) 穿過屏蔽殼體的金屬控制軸，采用金屬觸片、接地螺母或射頻襯墊接地；

4) 用導電襯墊和墊圈、螺母等實現(xiàn)鈕子開關防泄漏安裝；

5) 在指示器、顯示器后面加屏蔽，對所有引線采用穿心濾波器濾波；

6) 瞬態(tài)脈沖干擾含有豐富的高頻成分，選用低通濾波器可以濾除部分能量，減小干擾的幅度。設輸入低通濾波器的是一個梯形波(不失一般性)，幅度為VIP，脈寬為d，則其頻譜的幅度：

VI(f)=2VIPd f≤1/πd

2.4 某電源濾波設計

供電電源的電磁兼容性，需解決共模干擾和差模干擾，在設計中，采用多級濾波形式的軍用電源濾波器，從而達到電源電磁兼容性要求?？墒褂灭佂V波器對電源進行高頻濾波；因為電源線上高頻傳導電流會導致輻射，使設備的輻射發(fā)射超標。因此，使用饋通濾波器可以有效抑制電源部分產(chǎn)生的電磁干擾。

3 運動控制電路卡電磁兼容性設計

該武器系統(tǒng)運動控制單元是火控系統(tǒng)運動控制的核心單元模塊，火控系統(tǒng)的快速反應性能、精確打擊能力在很大程度上都依賴于運動控制單元的快速響應和精確控制能力。

圖2是該武器系統(tǒng)運動控制單元運動控制電路卡的設計示意圖。該控制卡采用高速數(shù)字信號處理器DSP為核心微處理器,用CAN總線實現(xiàn)信息傳遞。控制卡集成了2路高速數(shù)字脈沖發(fā)生電路，實現(xiàn)對2路步進驅動器進行運動控制；1路RS232接口電路，實現(xiàn)對觀瞄裝置的激光測距，紅外/白光切換等；2路位置檢測電路，實現(xiàn)對光電碼盤進行采集和處理。為增強系統(tǒng)可靠性，在各電路模塊中均采用光電隔離技術，大大增強了系統(tǒng)的抗干擾性。

3.1 CAN接口電路設計

運動控制卡通過CAN總線與其他設備進行信息交互，為避免信號在傳輸中出現(xiàn)電磁干擾，在設計中采用了光電隔離技術，采用1片高速雙數(shù)字隔離器IL712T-3對CAN接口電路進行隔離，提高總線的抗干擾性能。如圖3所示。

圖2 運動控制電路卡設計圖

圖3 CAN總線接口電路

3.2 位置檢測電路

該武器系統(tǒng)采用光電編碼器作為閉環(huán)控制的反饋元件。光電編碼器輸出兩組相位相差90°的脈沖信號DAT+和DAT-,設計中選用MAXIM公司差分收發(fā)器與DSP內部的高速I/O口連接，采集光電編碼器的位置值,采用1片高速雙數(shù)字隔離器IL712T-3對差分收發(fā)電路進行隔離，以提高信號的抗干擾性能。如圖4所示。

圖4 位置檢測電路

3.3 電機驅動器接口電路

武器系統(tǒng)采用數(shù)字脈沖控制模式控制步進驅動器，在電路設計時采用2片高速雙數(shù)字隔離器IL711T-3作為接口電路進行信號隔離，如圖5。運動控制卡共設計兩路差分脈沖信號，分別用來控制武器的方位和高低運動，在設計時，采用1片AM26LS31C高速差分驅動芯片對信息進行差分處理，使系統(tǒng)抗干擾性能增強。

3.4 電源隔離技術

為提高系統(tǒng)的抗干擾性，運動控制卡與外設之間的電路均采用了隔離技術并通過隔離電源模塊給板卡供電。

試驗使用證明，當不采取電源隔離技術時，系統(tǒng)在運行過程中由于電流變化大，影響了運動控制卡運行的穩(wěn)定，出現(xiàn)電機擾動，系統(tǒng)死機等現(xiàn)象。而采取電源隔離技術后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

圖5 電機驅動器控制接口

4 系統(tǒng)電磁兼容試驗結果

武器系統(tǒng)按照GJB151A電子設備相關要求進行了電磁兼容性八項試驗，試驗結果滿足GJB151A中相關試驗要求，該武器系統(tǒng)在進行RE102電場輻射發(fā)射試驗時，測試結果如圖6～圖9所示，測試結果表明：該武器系統(tǒng)電場輻射發(fā)射指標沒有超越RE102指標。達到了GJB151A中的相關要求。

圖6 30～200 MHz的垂直極化測試結果

圖7 200 MHz～1 GHz的垂直極化測試結果

圖8 30～200 MHz的水平極化測試結果

圖9 200～1 GHz的水平極化測試結果

5 結束語

本文從結構、電路板卡設計等方面對武器系統(tǒng)兼容技術進行分析，在信號隔離、布線、接地、屏蔽以及濾波等方面采取措施，對電磁兼容進行設計。武器系統(tǒng)滿足GJB151A中相關試驗要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。達到了較為理想的電磁兼容效果。

[1] 蘇奎峰,呂強，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發(fā) [M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2] 楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京:人民郵電出版社，2007.

[3] 浦發(fā).外彈道學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[4] 徐友明.現(xiàn)代外彈道學[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1999.

[5] 陳三強.某推進劑瞬態(tài)熱傳導數(shù)值模擬[J].四川兵工學報,2011,32(9):15-19.

[6] 陳三強.人因工程在彈藥設計中的應用[J].國防制造技術,2011(5):77-82.

[7] 某牽引炮射擊精度影響因素剖析[J].四川兵工學報.2011.32(5):51-54.

(責任編輯周江川)

Application of Electromagnetic Compatibility in Weapon System Design

ZHANG Ying1, LAN Guang-Wu2，HAN Dong-Mei3，LI Bing-Peng2, CHEN San-Qiang4

(1.The No.58thResearch Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China；2.The No.157thNational Factory, Chengdu 611930, China；3.Chengdu Petrochemical Industry School, Chengdu 611930, China；4.The No. 451stNational Factory, Chongqing 400032, China)

A weapon system is a combination fire control and motion control, and its operation stability and reliability are influenced by electromagnetic interference. The electromagnetic compatibility of structure， material, electrical components, circuit and circuit card were analyzed. Several import methods were taken in some respects such as the component design and layout, assembly method, anti-electromagnetic interference, each anti-electromagnetic interference,signal isolation,circuit wiring, grounding, shielding and filtering circuit and so on. According to the related requirement of GJB151A for electronic equipment, electromagnetic compatibility test was conducted to show that the system meets the performance indicators and the system runs stably and reliable.

electromagnetic compatibility; filtration; isolation; ground connection

2016-08-11；

張穎(1975—)，男，高級工程師，主要從事武器火控研究。

10.11809/scbgxb2016.12.006

張穎，蘭光武,韓冬梅，等.電磁兼容技術在某武器系統(tǒng)設計中的應用[J].兵器裝備工程學報，2016(12):27-30.

format:ZHANG Ying, LAN Guang-Wu，HAN Dong-Mei，et al.Application of Electromagnetic Compatibility in Weapon System Design[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):27-30.

TJ201

2096-2304(2016)12-0027-04

修回日期：2016-09-30