一种无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计方法与流程

本发明涉及无人机舵机控制驱动系统设计技术领域，具体涉及一种无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计方法。

背景技术：

现有民用无人机大多为多旋翼结构，多旋翼无人机机械结构简单，控制相对容易，但存在速度慢、承载能力小、续航时间短的缺点，对某些需要较快航速、较大承载能力、长时间续航的民用领域则无法胜任；而对于固定翼无人机，其飞行姿态控制是通过机翼副翼、垂直尾翼、升降尾翼的动作实现，而机翼副翼、垂直尾翼、升降尾翼的动作需通过舵机控制，因此无人机舵机控制驱动系统是固定翼无人机的关键子系统，但因其开发难度较高，目前市场上尚无固定翼无人机舵机控制驱动的商用产品，因此影响了民用固定翼无人机产品的发展。

另外，民用固定翼无人机在使用中会搭载光电、雷达等电子设备，因此具有使用电磁环境复杂的特点，如果无人机舵机控制驱动系统的电磁兼容设计不良，极易引起无人机舵机控制驱动系统与搭载的光电、雷达、通信设备等电子设备间相互产生电磁干扰，影响到固定翼无人机的正常飞行控制，严重的话甚至会导致固定翼无人机的失控坠毁，因此对无人机舵机控制驱动系统进行电磁兼容设计是必须进行的设计工作内容之一，以保证无人机舵机控制驱动系统在复杂电磁环境下可靠稳定工作；同时无人机舵机控制驱动系统作为独立销售的子系统，其本身应具有较低的电磁辐射水平，以便与客户的其它系统能良好地进行电磁兼容；但目前未见资料对无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计进行系统性的揭示。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计方法，其过程与无人机舵机控制驱动系统的开发、验证过程同步，包括了干扰源分析及确定、敏感电路分析及确定、电磁兼容方案设计、电源设计、软件抗干扰设计；其中电磁兼容方案设计为无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计的重点，包括控制驱动系统整体布局设计、接地设计、隔离设计、pcb板布线及敷地设计、电磁屏蔽设计、连接电缆屏蔽设计；通过对无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计及验证，开发出的无人机舵机控制驱动系统具有极低的电磁辐射水平和极强的抗电磁干扰的能力，保证了在复杂电磁环境下稳定、可靠工作的能力，具有良好的电磁兼容性。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计方法，其电磁兼容设计过程与无人机舵机控制驱动系统的开发过程同步，具体包括以下步骤：

s1、干扰源分析及确定：无人机舵机控制驱动系统包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；其中控制模块包括dsp、can通信接口电路、总线驱动器、角度解码电路、差分接收电路；其中功率驱动模块包括逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路、逆变电路；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构通过电缆连接构；

其中舵执行机构包括作动器、角度传感器，作动器中包括无刷直流电机，无刷直流电机中设置有霍尔传感器；所述功率驱动模块的驱动电路、逆变电路，舵执行机构的无刷直流电机在工作中存在瞬变大电流，因此产生对外辐射电磁干扰，容易导致无人机舵机控制驱动系统出现自兼容问题；

所述控制模块的dsp、角度解码器工作时时钟源产生高频电磁干扰，通过传导、辐射方式影响其他控制模块其他电路的正常工作；

所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构连接电缆易辐射电磁干扰；

s2、敏感电路分析及确定：控制模块工作电压低、频率高，易受到电磁辐射、及传导的干扰产生运算错误；

控制模块、功率驱动模块之间通过电缆连接，电缆传导功率驱动模块产生的高频谐波干扰，影响控制模块正常工作；

功率驱动器、无刷直流电机之间，无刷直流电机、编码器之间通过电缆连接；功率驱动器、无刷直流电机之间的连接电缆对外辐射高频谐波电磁干扰，无刷直流电机、编码器之间的连接电缆易吸收电磁干扰，导致产生编码错误；

s3、电磁兼容方案设计：包括控制驱动系统整体布局设计、接地设计、隔离设计、pcb板布线及敷地设计、电磁屏蔽设计、连接电缆屏蔽设计；

控制驱动系统整体布局设计中，将控制模块、功率驱动模块分离设置，且控制模块、功率驱动模块、舵执行机构设置距离尽量近，以缩短彼此之间电缆连接长度，减少连接电缆的电磁辐射及电磁波吸收；

控制驱动系统在接地设计上，共分为控制模块的数字地、功率驱动模块的功率地，以及控制模块、功率驱动模块的屏蔽地；其中控制模块的数字地采用分割、多点接地，其包括dsp地、can通信接口电路地、总线驱动器地、角度解码电路、差分接收电路地，且相互分割地之间通过磁珠连接；其中功率驱动模块的功率地分割为两块，其包括逻辑综合电路、过流保护电路的信号地，及驱动电路、逆变电路的驱动地，两个地之间通过磁珠连接；所述数字地、功率地、屏蔽地之间相互物理隔离，物理隔离采用光电隔离、绝缘等方法；

隔离设计上，控制模块的总线驱动器与功率驱动模块的逻辑综合电路间采用光隔离耦合电路进行隔离，避免功率驱动模块的高频谐波干扰通过电缆传导到控制模块上；

pcb板布线及敷地设计上，pcb板采用4层板，磁珠设置在pcb板背面，其余所有电子器件设置在pcb板正面；对于控制模块的pcb板正面，以dsp、can通信接口电路、总线驱动器，及角度解码电路、差分接收电路进行分区，相关电子器件设置在同一个分区中，在pcb板背面相应正面的分区布设连续网格敷地，形成独立的dsp地、can通信接口电路地、总线驱动器地、角度解码电路、差分接收电路地，需接地的电子器件端通过多于四个过孔接地，pcb板背面的多个地通过磁珠连接，pcb板正面的晶振其设置位置靠近dsp或角度解码器，晶振外壳通过焊锡做接地处理，电源线加宽处理，所有走线拐角做圆角处理，pcb板背面走线包围在连续网格敷地中；对于功率驱动模块的pcb板正面，以逻辑综合电路、过流保护电路，及驱动电路、逆变电路进行分区，相关电子器件设置在同一个分区中，在pcb板背面相应正面的分区布设连续不留白敷地，形成逻辑综合电路、过流保护电路的信号地，及驱动电路、逆变电路的驱动地，需接地的电子器件端通过多于四个过孔接地，pcb板背面的两个地通过磁珠连接，电源线加宽处理，所有走线拐角做圆角处理，pcb板背面走线包围在连续不留白敷地中；

电磁屏蔽设计上，控制模块、功率驱动模块设置在金属铝型材盒中，其中功率驱动模块的逆变电路设置在远离控制模块的位置；金属盒侧面固定设置有三个连接插座，通过电缆分别与飞控系统、舵执行机构的无刷直流电机及角度传感器连接；三个连接插座上均设置有屏蔽接地端子，三个屏蔽接地端子通过电缆连接在金属盒的同一点上；

连接电缆屏蔽设计上，三根连接电缆均设置有外屏蔽层，外屏蔽层通过连接插座的屏蔽地接口与金属盒连接；其中与飞控系统连接电缆中的can总线采用双绞屏蔽线；

s4、电源设计：在电源设置上，控制模块、功率驱动模块供电的电源为两个独立的28v电源；其中为控制模块供电的28v电源经电源转换模块转换后连接到控制模块，电源转换模块与控制模块分离设置；其中为功率驱动模块供电的28v电源直接与功率驱动模块连接；

s5、软件抗干扰设计：软件抗干扰设计针对无人机舵机控制驱动系统与飞控系统的通信，采用通信信息校验设计，对接收到的控制指令帧头、控制id进行校验和判断，不符合通信协议的指令均舍弃，不予响应及应答。

进一步的，无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计结果验证过程与无人机舵机控制驱动系统的功能测试验证过程同步，无人机舵机控制驱动系统工程样品完成后，在进行控制模块、功率驱动模块电路性能测试时，同步测试关键节点信号的波形质量，关键点信号包括：can总线通信信号、差分接收电路输入信号、总线驱动器输出信号、霍尔元件输出信号。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计方法，其过程与无人机舵机控制驱动系统的开发、验证过程同步，包括了干扰源分析及确定、敏感电路分析及确定、电磁兼容方案设计、软件抗干扰设计；其中电磁兼容方案设计为无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计的重点，包括控制驱动系统整体布局设计、接地设计、隔离设计、pcb板布线及敷地设计、电磁屏蔽设计、连接电缆屏蔽设计；通过对无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计及验证，达到了以下技术效果：

一、整体布局设计，通过控制模块、功率驱动模块、舵执行机构空间位置的合理设置，减小无人机舵机控制驱动系统自身模块间的电磁辐射干扰，同时减小无人机搭载的其它电子设备通过连接电缆的电磁感应对无人机舵机控制驱动系统的辐射干扰；

二、接地设计，分割设置相互物理隔离的数字地、功率地、屏蔽地，防止了功率驱动模块的逆变电路及无刷直流电机对控制模块的传导干扰；

三、隔离设计，在控制模块与功率驱动模块间采用光耦隔离，阻断了控制模块与功率驱动模块间的传导干扰；

四、pcb板布线及敷地设计，减小了控制模块与功率驱动模块本身对外辐射及抗干扰能力，提高了控制模块与功率驱动模块在复杂电磁环境下的工作稳定性；

五、电磁屏蔽设计，通过将控制模块、功率驱动模块设置在封闭的金属盒中，降低降低了了无人机搭载的其它电子设备对控制模块、功率驱动模块的辐射干扰，同时降低了控制模块、功率驱动模块的对外电磁辐射；

六、连接电缆屏蔽设计，与无人机舵机控制驱动系统连接的电缆均设置外屏蔽层，外屏蔽层通过连接插座的屏蔽地接口与金属盒连接，降低了无人机搭载的其它电子设备辐射通过连接电缆感应传导到无人机舵机控制驱动系统；

通过本发明方法设计验证的无人机舵机控制驱动系统，具有极低的电磁辐射水平和极强的抗电磁干扰的能力，同时保证了在复杂电磁环境下稳定、可靠工作的能力，因此具有良好的电磁兼容性。

附图说明

图1为无人机舵机控制驱动系统实际应用总体布局示意图；

图2为无人机舵机控制驱动系统接地示意框图。

图中：1、左副翼舵机控制驱动系统；2、右副翼舵机控制驱动系统、3、左方向舵机控制驱动系统；4、右方向舵机控制驱动系统；5、升降舵机控制驱动系统；6、飞控系统。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计方法，其电磁兼容设计过程与无人机舵机控制驱动系统的开发过程同步，具体包括以下步骤：

s1、干扰源分析及确定：无人机舵机控制驱动系统包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；其中控制模块包括dsp、can通信接口电路、总线驱动器、角度解码电路、差分接收电路；其中功率驱动模块包括逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路、逆变电路；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构通过电缆连接构；

其中舵执行机构包括作动器、角度传感器，作动器中包括无刷直流电机，无刷直流电机中设置有霍尔传感器；所述功率驱动模块的驱动电路、逆变电路，舵执行机构的无刷直流电机在工作中存在瞬变大电流，因此产生对外辐射电磁干扰，容易导致无人机舵机控制驱动系统出现自兼容问题；

所述控制模块的dsp、角度解码器工作时时钟源产生高频电磁干扰，通过传导、辐射方式影响其他控制模块其他电路的正常工作；

所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构连接电缆易辐射电磁干扰。

s2、敏感电路分析及确定：控制模块工作电压低、频率高，易受到电磁辐射、及传导的干扰产生运算错误；

控制模块、功率驱动模块之间通过电缆连接，电缆传导功率驱动模块产生的高频谐波干扰，影响控制模块正常工作；

功率驱动器、无刷直流电机之间，无刷直流电机、编码器之间通过电缆连接；功率驱动器、无刷直流电机之间的连接电缆对外辐射高频谐波电磁干扰，无刷直流电机、编码器之间的连接电缆易吸收电磁干扰，导致产生编码错误。

s3、电磁兼容方案设计：包括控制驱动系统整体布局设计、接地设计、隔离设计、pcb板布线及敷地设计、电磁屏蔽设计、连接电缆屏蔽设计；

控制驱动系统整体布局设计中，将控制模块、功率驱动模块分离设置，且控制模块、功率驱动模块、舵执行机构设置距离尽量近，以缩短彼此之间电缆连接长度，减少连接电缆的电磁辐射及电磁波吸收；

控制驱动系统在接地设计上，共分为控制模块的数字地、功率驱动模块的功率地，以及控制模块、功率驱动模块的屏蔽地；其中控制模块的数字地采用分割、多点接地，其包括dsp地、can通信接口电路地、总线驱动器地、角度解码电路、差分接收电路地，且相互分割地之间通过磁珠连接；其中功率驱动模块的功率地分割为两块，其包括逻辑综合电路、过流保护电路的信号地，及驱动电路、逆变电路的驱动地，两个地之间通过磁珠连接；所述数字地、功率地、屏蔽地之间相互物理隔离，物理隔离采用光电隔离、绝缘等方法；

隔离设计上，控制模块的总线驱动器与功率驱动模块的逻辑综合电路间采用光隔离耦合电路进行隔离，避免功率驱动模块的高频谐波干扰通过电缆传导到控制模块上；

pcb板布线及敷地设计上，pcb板采用4层板，磁珠设置在pcb板背面，其余所有电子器件设置在pcb板正面；对于控制模块的pcb板正面，以dsp、can通信接口电路、总线驱动器，及角度解码电路、差分接收电路进行分区，相关电子器件设置在同一个分区中，在pcb板背面相应正面的分区布设连续网格敷地，形成独立的dsp地、can通信接口电路地、总线驱动器地、角度解码电路、差分接收电路地，需接地的电子器件端通过多于四个过孔接地，pcb板背面的多个地通过磁珠连接，pcb板正面的晶振其设置位置靠近dsp或角度解码器，晶振外壳通过焊锡做接地处理，电源线加宽处理，所有走线拐角做圆角处理，pcb板背面走线包围在连续网格敷地中；对于功率驱动模块的pcb板正面，以逻辑综合电路、过流保护电路，及驱动电路、逆变电路进行分区，相关电子器件设置在同一个分区中，在pcb板背面相应正面的分区布设连续不留白敷地，形成逻辑综合电路、过流保护电路的信号地，及驱动电路、逆变电路的驱动地，需接地的电子器件端通过多于四个过孔接地，pcb板背面的两个地通过磁珠连接，电源线加宽处理，所有走线拐角做圆角处理，pcb板背面走线包围在连续不留白敷地中；

电磁屏蔽设计上，控制模块、功率驱动模块设置在金属铝型材盒中，其中功率驱动模块的逆变电路设置在远离控制模块的位置；金属盒侧面固定设置有三个连接插座，通过电缆分别与飞控系统、舵执行机构的无刷直流电机及角度传感器连接；三个连接插座上均设置有屏蔽接地端子，三个屏蔽接地端子通过电缆连接在金属盒的同一点上；

连接电缆屏蔽设计上，三根连接电缆均设置有外屏蔽层，外屏蔽层通过连接插座的屏蔽地接口与金属盒连接；其中与飞控系统连接电缆中的can总线采用双绞屏蔽线；

s4、电源设计：在电源设置上，控制模块、功率驱动模块供电的电源为两个独立的28v电源；其中为控制模块供电的28v电源经电源转换模块转换后连接到控制模块，电源转换模块与控制模块分离设置；其中为功率驱动模块供电的28v电源直接与功率驱动模块连接。

s5、软件抗干扰设计：软件抗干扰设计针对无人机舵机控制驱动系统与飞控系统的通信，采用通信信息校验设计，对接收到的控制指令帧头、控制id进行校验和判断，不符合通信协议的指令均舍弃，不予响应及应答。

无人机舵机控制驱动系统电磁兼容设计结果验证过程与无人机舵机控制驱动系统的功能测试验证过程同步，无人机舵机控制驱动系统工程样品完成后，在进行控制模块、功率驱动模块电路性能测试时，同步测试关键节点信号的波形质量，关键点信号包括：can总线通信信号、差分接收电路输入信号、总线驱动器输出信号、霍尔元件输出信号。

本发明未详述部分为现有技术。