飞艇及系留气球电气系统设计中的干扰及对策

张敬锋

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035）

0 前言

飞艇和系留气球作为可依靠自身浮力升空的飞行器，具有留空时间长、使用成本低等优势，在民用和军用领域都有长足的发展。然而飞艇和系留气球都属于软囊体飞行器，缺乏飞机机体的金属壳体提供电磁屏蔽作用，在使用过程中易出现电气设备和线路受到干扰的问题。该文对电气系统设计方面进行了研究，对常见干扰进行分析并提出应对措施。

1 干扰源

要想分析干扰，首先要分析干扰源。飞艇和系留气球工作时干扰来源较复杂，按来源可以分为内部干扰和外部干扰，内部干扰指的是电路本身的相互干扰，外部干扰包括自然界的天电干扰、环境中的各种电磁波及能量场等。

电路本身的内部干扰是由于元器件本身问题和电路本身设计不合理造成的。例如电路布线和元器件排列不合理，通过电路的分布电容，分布电感耦合与反馈，引起电气系统工作不正常和不稳定。另外，不少元器件，本身就是干扰源或对外部干扰非常敏感，而在设计中又没有采取针对措施，例如DC/DC 电路、继电器、接触器、线圈和可控硅等，工作时可能在电路中产生脉冲、高次谐波和纹波等，容易对其他器件产生干扰。同时，继电器、接触器、线圈等既是干扰源又是敏感源，谐波和杂波也会造成其误动作，引发设备故障。

外部干扰中危险最大的是天电干扰，天电干扰指大气层中积贮的电荷放电而引起的电磁辐射，雷电便是一种最强烈的天电干扰。飞艇及系留气球常在数千米高空飞行，自然界的闪电、雷击在其附近时，就算没有直接击中，雷电的巨大能量也会在电路中感应出雷电浪涌电压和电流，这就是雷电的间接效应。感应出的浪涌电压和电流会给电气系统造成干扰，甚至会产生严重的破坏[1]。

除了天电干扰，外部的人工装置很多也是干扰源，例如广播、电视、通信和导航设备，这些设备在工作时都会向外发射电磁能量，部分能量被飞艇及系留气球的电气系统接收就有可能造成干扰，引发故障。

2 干扰的途径和方式

系统的干扰有“场”和“路”2 个途径，“场”和“路”可以互相转换。“场”的干扰可分为电场、磁场和电磁场。电磁场又可分为静电场和交变磁场。交变磁场又可分为低频和高频交变磁场。

“路”的干扰有电源干扰、接地干扰、元件噪声干扰、引线感应电压干扰等。形成的途径是通过元器件、线路等耦合而侵入[2]。

电气系统被干扰后，存在于电气线路中最常见影响也较大的2 种干扰电流是共模干扰电流和差模干扰电流[3]。

共模干扰电流在电缆及其地线形成的回路中流动。共模干扰电流既可能由外部干扰产生，也可能由内部干扰产生。由设备外部产生的共模电流是设备受到干扰的主要原因。由设备内部产生的共模电流是设备传导发射和辐射发射超标的原因。

差模干扰电流在信号线和信号负线（或电源线的火线和零线）之间流动。电缆中的差模电流以电路的工作电流为主，外界因素也会产生差模电流。差模干扰电流加载到正常工作信号上，会直接影响测量与控制的精度。

3 结合实例提出应对措施

下面将对电气系统中常见的干扰源和敏感设备进行分析并提出应对措施。

3.1 电动机

电动机是飞艇及系留气球电气系统中的常用设备。在飞艇的推进装置以及飞艇和气球的压力调节系统的风机中都使用了电机。在电气系统中，电动机既是干扰源，也是敏感源，电动机的启动、刹车、转速变化，甚至包括正常运转，都会对线路造成影响，产生各种谐波或使电路电压跌落。同时电动机也容易受到干扰，特别对于常用的利用PWM（Pulse-Width Modulation 脉宽调制信号）调速的电动机，对干扰也十分敏感。

为了降低电动机对电路的影响，通常在电动机的输入端接上电源线滤波器，电源线滤波器既是差模滤波器也是共模滤波器，因此有良好的滤波效果。

要正确地使用电源线滤波器，保证滤波效果，要注意3点。1）不要在电源线滤波器和电动机之间接入开关、指示灯等设备，如果是开关、指示灯对电动机造成干扰，滤波器就不能滤除干扰。2） 电源线滤波器的接地端一定要良好接地，如果滤波器接地不好，滤波效果将会大打折扣。3）电动机的型号、参数不同，所产生的干扰也不相同，尽量一个电动机配用一个电源线滤波器，电源线滤波器的参数要和电动机相适应。

3.2 电源线和信号线

如果不考虑电源线所带负载的影响，外部电磁场对电缆产生的干扰主要是共模干扰，共模干扰使线路上产生共模电流，导线越长，感应效果越加明显。为了降低或消除干扰，除选用上述的电源线滤波器外，另一个简便的措施是在电源线和负载之间（在我们一般的电气线路中，在电源线和AC/DC 变换器、DC/DC 变换器、变压器等设备间）加上共模电感。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向磁场而互相抵消，此时正常信号电流只受线圈内阻的影响。而线路中的正负线走在一起，它们受到共模干扰是相同的，共模电流是同向的，就会在线圈中产生相同的磁场而增大线圈的感抗，从而衰减共模电流，达到滤波的目的。

在飞艇和系留气球的电气系统设计中，会用到大量的信号线，传输的信号可以分为数字信号和模拟信号2 类。对模拟信号，常用到的有4 mA～20 mA 电流信号、0 V～5 V 电压信号或开关量信号等。这类信号线受到的主要干扰也是外界电磁场在基线路上产生的共模电流。对模拟信号线可采取的抗干扰措施主要有3 项。1） 屏蔽。良好的屏蔽可以明显降低外界电磁场对线路的影响，但屏蔽线质量、体积较大、成本高、安装和连接都比较麻烦，并且屏蔽层的两端都需要良好的接地，如果接地不好，屏蔽效果会变差，甚至外界电磁场会使屏蔽层两端产生电位差，给电路中引入差模电流，效果适得其反。2）选用合适的低通滤波器，前面已经说过，信号线常见的干扰是共模干扰，而共模电流通常是高频电流，选用合适的低通滤波器，可以滤除高频杂波，保证信号的纯净；3）光电耦合，光电耦合模块也是一种优秀的滤波器，选取速度合适的光电耦合模块，可以滤除高频杂波，保证正常信号的通过，同时光电耦合还可以实现设备的电气隔离，提高电气系统的安全性。

对于数字信号，常见的接口有串口、网口等，串口运用非常广泛，许多传感器都采用串口和计算机通信，串行通信距离随传输速率的不同而不同，理论上最远可以达到100 m。对于串行信号的传输，可以采取3 项措施。1）在距离远和通道多的情况下改为光纤传输，光纤对电磁场不敏感，本身具有良好的抗干扰能力，但光纤成本高，需要专用的信号转换设备，连接和修理都需要专用设备和技术，增加了成本和应用上的难度。2）屏蔽，屏蔽可以在降低外界电磁场影响的同时抑制信号线自身的辐射，但采取屏蔽措施时要注意上面提到的问题。3） 一个简单而实用的方法是把线缆在铁氧体磁环上绕一到数圈，制成共模扼流圈，抑制共模干扰，该方法对USB 信号线也同样适用。

3.3 舵机

把舵机单独拿出来说是因为在遥控飞艇上大量地使用了舵机，并且舵机起着很重要的作用。舵机从原理上讲是PWM 信号控制的步进电机，使用的电机有3 根电线。1）2根电源线，使用4.8 V ～6 V 直流电压驱动。2）1 根信号线，采用PWM 信号控制。PWM 信号的典型周期是25 ms，但据研究显示，舵机对0.5 ms ～1 ms 甚至更低的信号都有响应，这就说明舵机容易受某些杂波的干扰[4]。在遥控飞艇使用的舵机中，部分舵机就受到了强烈的干扰，甚至在采取屏蔽措施后仍不能消除，分析原因，有以下2 点。1）舵机是敏感源。2）连接舵机的电缆平直敷设，走得过长，天线效应十分显著，虽然加了屏蔽，但屏蔽层不能就近接地，降低了屏蔽效果，甚至屏蔽层两端可能存在电位差，引入差模电流，使情况恶化。

在这种情况下，如果仍要长距离走线，可采用2 根信号线，同时在信号的发送端装一个反向器（即非门），2 根信号线一根走正常信号，一根走反向信号（即差分传输）。在信号的接收端（即舵机上）也装一个非门，把反向信号再反向后和正常信号叠加。由于2 根信号线一起走，所受的干扰也是相同的，经过反向叠加后，即可抵消耗干扰。此外，如果2 根信号线采用双绞形式，则抗干扰能力还会提高。

3.4 数字滤波

在设计电气系统特别是测控系统时，常用到信号采集装置，在信号采集装置采集信号时，往往有一些随机干扰、噪声信号窜入其中。有些干扰信号经常是无规律的变化，这样就给系统带来了随机误差，而这些干扰信号在多次测量中是符合统计规律的。为了克服随机干扰引入的误差，除了采用硬件消除干扰的方法，还可以按统计规律采用软件方法对信号进行处理，即采用数字滤波方法来抑制干扰，消除随机误差，同时对信号进行必要的平滑处理，以保证采样得到的数据尽可能向真实值靠近。

4 结语

上述措施在一些系留气球和遥控飞艇上使用后，效果非常显著，很多飞艇及系留气球大量采用了抗干扰能力较弱的工业/民用电气器件，因干扰产生的故障直接影响飞行安全。采用了上述措施后，大部分器件仍可以使用，大幅减少了由于干扰而产生的故障，获得良好的使用效果。