一種提高舵位指示器抗干擾能力的方法研究

鄭達　杜曉海

摘要：本文針對某型舵機組件在全產品系統聯調時出現的舵位指示器輸出電壓周期不清問題進行了分析，并提出了解決措施，經過試驗驗證表明了措施的有效性，提高了舵位指示器的可靠性。

1 問題現象

舵機組件通過轉接電纜與控制上位機連接，上位機發送工作指令使舵機組件轉動。同時，控制計算機采集舵位指示器的輸出電壓，通過回放采集到的測試數據判定舵機組件是否正常工作?？刂粕衔粰C發送的工作指令為三角波，控制計算機采集舵位指示輸出電壓波形趨勢也應為三角波，但實際測試過程中，部分測試到的數據顯示三角波上附著了大量的毛刺，且干擾幅值與控制信號幅值基本等同，導致輸出波形失真，引起舵機組件功能失效。

2問題查找過程

2.1 組成及功能

舵機組件由3個通道的舵機、舵機驅動電路等組成;單通道舵機由電機、三級行星齒輪及蝸輪蝸桿組成的傳動機構、舵位指示器等組成;舵位指示器電容器部件、印制板部件、殼體部件等組成。舵機組件通過接收上位機控制指令，舵機驅動電路對控制指令進行解析，驅動電機轉動，帶動傳動機構運轉，使舵位指示器電容器部件耦合容值變化，從而達到舵位指示器輸出電壓的變化。

2.2 問題現象排查

由于舵位指示器的輸出電壓存在了大量干擾毛刺，所以從舵指自身的功能、結構和原理上進行分析，認為以下問題可能導致舵指輸出電壓波形異常。

2.2.1 電路板部件問題

為驗證電路板部件差異性引起舵指輸出波形周期不清，將周期不清舵指的電路板進行互換，周期不清的舵指輸出波形仍周期不清，且前后波形形態基本一致，說明舵指電路板一致性良好，電路板部件不會影響舵指輸出電壓波形。

2.2.2 外部干擾超出范圍

考慮不同舵電機及舵驅對舵指的干擾程度不同，將周期不清的舵指分別安裝在舵機組件的3個通道上進行試驗，該臺舵指輸出波形均不清，且3個通道的輸出波形基本一致。通過舵指安裝位置置換試驗可知，輸出波形周期不清的舵指安裝在舵機組件的不同位置，舵指輸出波形仍不清，且前后波形形態對比一致，說明外部安裝位置干擾對舵指波形周期不清無影響。

2.2.3殼體、殼體外部引線整體屏蔽性

從舵位指示器本身結構上考慮，舵指的正負極、輸出導線均為普通導線，舵指導線未進行隔離屏蔽處理，舵機組件生產時會使用防波套對舵指導線進行屏蔽處理，但屏蔽效果不徹底，防波套并不會與舵指內部殼體連接。針對此問題，將舵指原有導線更換為屏蔽線，并將屏蔽線與殼體內部連接，使外殼與蓋板接觸相連。通過多套產品試驗波形前后對比，舵指屏蔽線改進后周期不清問題有所改善，但舵指輸出波形不平滑，仍存在較多的雜波，說明舵指殼體、殼體外部引線整體屏蔽性不是造成舵指輸出波形周期不清的主要因素。

2.2.4 電容器動片耦合干擾

分析電容器部件在電路板上的接線方式，發現動片接電源正端，可能將干擾耦合進舵指電路中，若將動片電源接地，可避免電容耦合。將電容器部件定片、動片在電路板上的焊接位置置換，試驗后發現舵指輸出波形平滑，說明電容器動片耦合是造成舵指輸出波形周期不清的主要因素。

3原理分析

舵位指示器主要由電容器部件和印制板電路構成，通過轉動舵指的齒輪，使電容器部件的容值發生變化，舵指輸出與齒輪偏轉角度對應的電壓值。電容器部件主要由定片和動片組成，動片轉動會改變動片與定片之間正對面積，進而改變電路中電容容值，從而引起舵指電壓輸出的變化。電容計算公式如下：

電容器部件進行充放電時，定片、動片分別需要與電壓兩端進行連接，軸和動片是導電接觸的，軸與齒輪通過襯套隔開，這相當于在動片上耦合了一個電容。據此分析，定片、動片接線方式對于電容器部件充放電的影響如下：

1）耦合電容接電源端

該接線方式下的充放電電路如圖1所示。等效耦合電容一端接電源正端，一端接殼體地，舵指進行充放電時相當于耦合上了一個等效耦合電容，影響充放電輸出電壓，進而導致舵指輸出電壓波形周期不清。由于等效耦合電容是由機械結構（軸和齒輪之間）形成的，不同舵指安裝形成的耦合容值不一致，對舵指電壓輸出波形周期產生的影響也不一致。

2）耦合電容接地端

等效耦合電容一端接電源地，一端接殼體地，舵指進行充放電時由于等效耦合電容兩端接地，不會影響充放電輸出電壓，從而也不會影響舵指輸出波形。

舵指的輸出電路如圖2所示，電容器部件輸出信號與參考電壓做減法，經過兩級放大后直接輸出至外部。經動片耦合進入的干擾將引起產品輸出電壓的穩定性。由于舵指整體屏蔽性能較差，且輸出線上沒有任何濾波措施，會導致輸入的干擾信號直接傳遞到輸出信號上，以上問題會使舵指抗干擾性能欠缺。

從問題排查和原因分析上看出，舵位指示器輸出電壓波形異常是由于自身抗干擾能力差導致，采取電容器部件定片、動片接線位置更改和屏蔽線改進措施后，可以有效的解決舵指輸出電壓周期不清的問題。

4 試驗驗證

根據原因分析可知，舵指電容器部件定片、動片在線路板上接線位置影響產品的抗干擾性能，并且進行屏蔽改進后能進一步提高舵指的電磁環境適應性。為驗證更改電容器部件定片、動片在電路板上的接線位置是否能夠解決舵指電壓輸出波形周期不清的問題，將多套故障產品的電容器部件定片、動片接線位置進行更改，且進行屏蔽改進，所有故障產品輸出波形幅值、周期均良好。試驗結果表明以上改進能有效的解決舵指周期不清的問題。

結論

針對舵機組件進行全產品系統聯調時舵位指示器輸出波形周期不清的問題，從原理分析和試驗驗證兩個方面進行工作，確認舵指本身抗干擾能力欠缺。為解決此問題，提出了電容器部件定片、動片接線位置更改及屏蔽線改進，且通過試驗表明能有效的提高舵位指示器的抗干擾能力，消除舵指周期不清的問題，提高了產品的可靠性。