بقلم ميشيل لوروسو وسوده تافوسي
يُعد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) تحديًا شائعًا ومحبطًا في كثير من الأحيان عند اختبار أنظمة دفع الطائرات المسيّرة. يمكن أن تؤدي الأعراض المرتبطة بالتداخل الكهرومغناطيسي إلى انقطاع الاختبار، لا سيما في إعدادات الاختبار عالية الطاقة التي تعمل فيها المحركات ووحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) وإلكترونيات القياس في آنٍ واحد.
من الناحية العملية، قد يكون من الصعب تتبع التداخل الكهرومغناطيسي وإرجاعه إلى مصدر واحد. وبناءً على خبرتنا مع أنظمة اختبار متعددة لدى العملاء، غالبًا ما يتم حل المشكلات المتعلقة بالتداخل الكهرومغناطيسي من خلال اتباع ممارسات دقيقة في التخطيط والتوصيل والتأريض. وفي الحالات التي لا تكون فيها التدابير السلبية كافية، يمكن استخدام تقنيات التخفيف النشطة لعزل الإلكترونيات الحساسة بشكل أكبر.
يوضح هذا المقال المصادر الشائعة للتداخل الكهرومغناطيسي في اختبار الطائرات المسيّرة والطرق العملية لتقليله.
الشكل 1: إعداد اختبار دفع الطائرة المسيّرة باستخدام فلايت ستاند 15
جدول المحتويات
- مصادر التداخل الكهرومغناطيسي في اختبار الطائرات المسيّرة
- مكونات نظام الدفع
- معدات الاختبار
- بيئة الاختبار
- كيفية تقليل التداخل الكهرومغناطيسي
- كيفية قياس التداخل الكهرومغناطيسي
- سير عمل تقليل التداخل الكهرومغناطيسي
- تقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي السلبية:
- تعديلات الأسلاك
- حلقات التأريض والتأريض
- المصادر الميكانيكية للتداخل الكهرومغناطيسي وعزلها
- خرز الفيريت ومرشحات التداخل الكهرومغناطيسي
- التوصيلات
- تقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي النشطة:
- عزل مسارات التأريض
- مثال: العازل البصري
1. مصادر التداخل الكهرومغناطيسي في اختبار الطائرات المسيّرة
غالبًا ما يظهر التداخل الكهرومغناطيسي في شكل انقطاعات متقطعة بدلًا من أعطال مستمرة، مما يجعل من الصعب تحديد السبب الجذري.
يمكن أن ينشأ التداخل الكهرومغناطيسي من مصادر ميكانيكية وكهربائية. وتشمل المصادر الميكانيكية الشرارات أو التلامس المتقطع من مكونات مثل مشغلات الإشعال أو المرحّلات، بينما تشمل المصادر الكهربائية إلكترونيات التبديل عالية السرعة ومحولات الطاقة وإشارات التحكم الرقمية. ويساعد فهم طبيعة المصدر في توجيه جهود التخفيف إلى المكان المناسب.
فيما يلي بعض المصادر الشائعة للتداخل الكهرومغناطيسي في اختبار الطائرات المسيّرة.
مكونات نظام الدفع
في بيئات اختبار الطائرات المسيّرة، ينشأ التداخل الكهرومغناطيسي بشكل أساسي عن المكونات التي تسحب طاقة عالية أو تقوم بالتبديل بسرعة. وتُعد المحركات ووحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) من المساهمين الرئيسيين، لا سيما بسبب تيارات العبور العالية وتبديل تعديل عرض النبضة (PWM). ويمكن أيضًا أن تشع خطوط بطارية الجهد العالي ضوضاء، وقد تعمل الكابلات الطويلة كهوائيات.
الشكل 2: نظام دفع الطائرة المسيّرة مثبتًا على فلايت ستاند 50
عند شراء مكون جديد لإعداد اختبار الدفع الخاص بك، تأكد من قراءة دليل المستخدم بعناية والبحث عن إرشادات محددة بشأن تقليل التداخل الكهرومغناطيسي. لقد واجهنا بعض طرازات وحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) ومضخات التبريد التي يبدو أنها تضيف تداخلًا كهرومغناطيسيًا إضافيًا إلى النظام، وغالبًا ما تتضمن أدلة ومواصفات مصنّعي المكونات خطوات إضافية للتخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي، لذا راجع هذه الوثائق للحصول على نصائح.
معدات الاختبار
تزيد معدات الاختبار، مثل وحدات القياس ومصادر الطاقة الخارجية، من تعقيد النظام. وتضيف هذه المكونات المزيد من الأسلاك ومسارات تأريض إضافية ومزيدًا من الفرص لانتقال الضوضاء إلى الإلكترونيات الحساسة.
فيما يلي مخطط لإعداد اختبار طائرة مسيّرة مرتب بشكل صحيح مع حامل اختبار فلايت ستاند، ومحرك، ووحدة تحكم إلكترونية في السرعة (ESC)، وبطارية، ووحدة قياس كهربائية (EMU)، وموزع مزامنة (Sync Hub):
الشكل 3: إعداد اختبار دفع مهيأ بشكل صحيح
بالإضافة إلى توصيل مكونات النظام بهذه الطريقة، نوصي بتوصيل الأجهزة مباشرة بالكمبيوتر كلما أمكن ذلك وتجنب استخدام موزعات USB.
بيئة الاختبار
يمكن أن تؤثر الظروف البيئية على سلوك التداخل الكهرومغناطيسي بطرق دقيقة ولكنها ذات مغزى.
يؤثر درجة الحرارة على سلوك التبديل في أشباه الموصلات، حيث تكون الأجهزة الأكثر سخونة أبطأ قليلًا في التبديل، بينما تنتج الأجهزة الأبرد حوافًا أكثر حدة تزيد من الانبعاثات عالية التردد، في حين قد تنحرف المذبذبات والساعات مع تغير درجة الحرارة.
تؤثر الرطوبة في المقام الأول على التوصيل السطحي والاقتران بدلًا من الانبعاثات مباشرة. تزيد الرطوبة المنخفضة من تراكم الشحنات الساكنة وخطر التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، بينما يمكن أن تزيد الرطوبة العالية من التسرب السطحي على الكابلات ولوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) وتخفف قليلًا من المجالات المشعة.
تغير درجة الحرارة والرطوبة معًا الخصائص العازلة للهواء، مما قد يؤثر قليلًا على الانتشار الكهرومغناطيسي والاقتران بالهوائي.
على الرغم من أن هذه التأثيرات عادة ما تكون صغيرة وغالبًا ما تقل عن 1 إلى 3 ديسيبل، إلا أنها قد تساهم في تباين يجعل مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي تظهر في شكل انقطاعات متقطعة بدلًا من أعطال قابلة للتكرار.
2. كيفية تقليل التداخل الكهرومغناطيسي
كيفية قياس التداخل الكهرومغناطيسي
يُقيَّم التداخل الكهرومغناطيسي في إعداد اختبار الدفع عادةً باستخدام قياسات المجال القريب وتحليل النطاق الترددي لتحديد مصادر الانبعاثات ومسارات الاقتران.
تشمل المعدات الموصى بها للتقييم الأولي للتداخل الكهرومغناطيسي: راسم إشارات للتحقق من حلقات التأريض، ومحلل طيف لإجراء تحليل ترددي أكثر تفصيلًا.
الشكل 4: راسم إشارات (يسارًا) ومحلل طيف (يمينًا)
لإجراء تحليل أكثر تقدمًا للتداخل الكهرومغناطيسي، استخدم فريقنا في Tyto أيضًا معدات إضافية تشمل مسبارًا مغناطيسيًا للمجال القريب، ومضخمًا أوليًا خطيًا منخفض الضوضاء، ومخففًا ثابتًا لحماية الإدخال والخطية، وراسم إشارات بمسبار تفاضلي لربط الانبعاثات الطيفية بسلوك التبديل على خطوط الطاقة والإشارة. لا تُعد هذه المعدات الإضافية ضرورية لاستكشاف الأخطاء الأساسية وإصلاحها.
الشكل 5: مسبار تفاضلي عالي الجهد، مفيد في بعض الحالات ولكنه غير ضروري لاستكشاف الأخطاء الأساسية للتداخل الكهرومغناطيسي
لتحديد مستوى أرضية الضوضاء للأداة، أوقف تشغيل جميع المعدات وأجرِ مسحًا للمجال القريب باستخدام هندسة ثابتة مع إمساك مسبار المجال المغناطيسي على مسافة ثابتة من الهيكل، ومسار معاوقة ثابت، وإعدادات عرض نطاق ثابتة، وتكوين ثابت للمضخم الأولي، ثم تعامل مع مستوى الأساس الناتج كأرضية ضوضاء محلية للمقارنة.
استخدم مسبار المجال المغناطيسي القريب لمسح المحركات ووحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) والكابلات وأسطح الهيكل. تُلاحظ الانبعاثات عبر نطاق ترددي واسع وتُفسر بالنسبة إلى أرضية الضوضاء المحلية، مع وضع نطاقات التردد المرتفعة (أي شيء أعلى من الأرضية بحوالي 20 ديسيبل) كعلامة لمزيد من التحقيق والتخفيف.
سير عمل تقليل التداخل الكهرومغناطيسي
عند حدوث مشكلات متعلقة بالتداخل الكهرومغناطيسي، فإن النهج الموصى به هو البدء بتقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي السلبية. تركز هذه الطرق على تخطيط الأسلاك واستراتيجية التأريض والفصل المادي بدلًا من إضافة إلكترونيات جديدة. يتم توفير المزيد من التفاصيل في القسم التالي.
يمكن أن يوفر تقييم الظروف البيئية لمساحة المختبر الخاصة بك أيضًا رؤية حول ما إذا كانت درجة الحرارة المحيطة أو الرطوبة قد تساهم في انتشار التداخل الكهرومغناطيسي.
قد تشمل تقنيات التخفيف النشط الإضافية للتداخل الكهرومغناطيسي عزل مسارات التأريض، والموضحة بمثال في القسم 4 من هذا المقال.
غالبًا ما تكون التقنيات السلبية كافية لحل مشكلات الانقطاع في اختبار الطائرات المسيّرة، ويجب تنفيذها بالكامل قبل الانتقال إلى طرق التخفيف النشطة.
3. تقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي السلبية
تعديلات الأسلاك
تعد إحدى أكثر الطرق فعالية لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي هي فصل أسلاك الطاقة العالية عن أسلاك البيانات والإشارة. يجب تجميع الأسلاك من النوع نفسه معًا. يجب لف أسلاك البيانات أو جدلها معًا، ويجب أيضًا لف أسلاك الطاقة العالية أو جدلها معًا.
يقلل هذا من مساحة الحلقة ويحد من الضوضاء المشعة. يُوصى أيضًا بتقصير خطوط تعديل عرض النبضة (PWM) من وحدة التحكم في الطيران (FMU) إلى وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) قدر الإمكان لتقليل التقاط الضوضاء.
حلقات التأريض والتأريض
تُعد حلقات التأريض مصدرًا شائعًا للتداخل الكهرومغناطيسي في اختبار الدفع.
تحدث حلقة التأريض عندما تظهر الأجهزة المترابطة التي تشترك في مسارات عودة موصلة متعددة، بما في ذلك تأريض مشترك، جهودًا كهربائية مختلفة. قد يكون الفرق مجرد جزء من الفولت، لكن هذا كافٍ لإحداث تداخل في النظام.
تسمح هذه الحلقات لتيارات الضوضاء بالدوران والاقتران بالإلكترونيات الحساسة. يجب فحص الأسلاك بحثًا عن المسارات الحلقية وإعادة توجيهها إلى مسارات سلسة على شكل حرف S كلما أمكن ذلك.
لتجنب حلقات التأريض في إعداد فلايت ستاند، يجب توصيل موزع المزامنة (Sync Hub) وتأريض البطارية معًا باستخدام أدنى مسار معاوقة متاح، وعادة ما يكون أقصر سلك ممكن بأقل مقاس مناسب.
يجب تجنب التوصيلات المتسلسلة (Daisy chains) بأي ثمن. يُوصى بنمط النجمة لتقليل جهد التأريض.
الشكل 6: توصيل نمط النجمة الصحيح (يسارًا) والتوصيل المتسلسل غير الصحيح (يمينًا)
يُعد التأريض الصحيح لجميع المكونات الموصلة أمرًا بالغ الأهمية. يجب تأريض حامل الاختبار نفسه إلى نفس المرجع الذي تستخدمه البطارية وموزع المزامنة باستخدام أقصر وأقل توصيل معاوقة ممكن.
يقلل ضمان اشتراك جميع المكونات الرئيسية في مرجع تأريض مشترك من فروق الجهد ويمنع تدفق تيارات غير مرغوب فيها عبر مسارات الإشارة.
الشكل 7: كابلات تأريض توفر مسارًا مباشرًا لتدفق التيار إلى الأرض (المصدر: Electrotechnik)
المصادر الميكانيكية للتداخل الكهرومغناطيسي وعزلها
يمكن أن ينشأ التداخل الكهرومغناطيسي أيضًا من مصادر ميكانيكية أو كهروميكانيكية مثل مشغلات الإشعال أو المرحّلات أو مضخات التبريد. يمكن أن تولد هذه الأجهزة تداخلًا كهرومغناطيسيًا وتفريغًا كهروستاتيكيًا كبيرين بسبب الشرارات أو التلامس المتقطع أو التغيرات السريعة في التيار، وغالبًا ما يتم تجاهلها في إعدادات اختبار الدفع.
بالنسبة للأجهزة ذات التداخل الكهرومغناطيسي العالي مثل أنظمة الإشعال أو مضخات التبريد، يُوصى بتزويدها بالطاقة من موصل أو قاطع مختلف عن الإلكترونيات الحساسة. المتطلب الأساسي هو ألا تشترك هذه الأجهزة في مسارات التأريض مع فلايت ستاند أو وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) أو إلكترونيات القياس، مما يساعد على منع اقتران الضوضاء وتيارات التفريغ بالنظام.
الفصل المادي هو أيضًا تقنية تخفيف فعالة. يجب وضع الأجهزة ذات التداخل الكهرومغناطيسي العالي بعيدًا قدر الإمكان عن فلايت ستاند، مع مسافة دنيا موصى بها تبلغ حوالي مترين للمكونات مثل المضخات.
أخيرًا، يجب تزويد الأجهزة المعروفة ذات التداخل الكهرومغناطيسي العالي بتأريض أرضي قوي ومخصص. وهذا يخلق مسار تفريغ مفضل للتفريغ الكهروستاتيكي وتيارات الضوضاء، مما يضمن تدفقها مباشرة إلى الأرض بدلًا من مرورها عبر الإلكترونيات الحساسة.
خرز الفيريت ومرشحات التداخل الكهرومغناطيسي
يمكن استخدام خرز الفيريت لكبح الضوضاء عالية التردد على خطوط البيانات والإشارة. يمكن أن يؤدي تركيب خرز فيريت على هذه الكابلات إلى تخفيف التداخل الكهرومغناطيسي دون التأثير على تشغيل الإشارة العادي.
الشكل 8: خرز فيريت على سلك USB
تقلل مرشحات التداخل الكهرومغناطيسي الضوضاء عالية التردد غير المرغوب فيها من خلال تخفيف التداخل مع السماح بتشغيل الطاقة أو الإشارة العادي. يتم تركيبها عادةً عند مداخل الطاقة أو واجهات الإشارة لمنع دخول الضوضاء إلى النظام أو خروجه.
لكل من خرز الفيريت ومرشحات التداخل الكهرومغناطيسي نطاق من الترددات يكونون فيها أكثر فعالية. يمكن استخدام محلل طيف لتحديد الترددات الإشكالية في نظامك، ثم يمكن اختيار خرز أو مرشح مناسب. على سبيل المثال، خرز الفيريت المستخدم عادةً على كابلات USB يكون عادةً أكثر فعالية في نطاق عشرات إلى مئات الميغاهرتز، وغالبًا ما يكون حول 100 ميغاهرتز.
هذه التقنيات مفيدة بشكل خاص عندما لا تؤدي تغييرات تخطيط الأسلاك وحدها إلى حل المشكلة بالكامل، ويمكن تنفيذها بسرعة دون تعديل تصميم النظام العام.
التوصيلات
إذا استمرت الانقطاعات المتعلقة بالتداخل الكهرومغناطيسي، فقد يكون من المفيد فصل توصيلات القياس غير الأساسية مؤقتًا والتي قد تعمل كنقاط دخول للضوضاء.
على سبيل المثال، يمكن أن يساعد فصل منفذ استشعار الجهد العالي على فلايت ستاند EMU في تحديد ما إذا كان هذا التوصيل يساهم في المشكلة.
غالبًا ما يؤدي تقليل عدد المسارات الكهربائية إلى الإلكترونيات الحساسة إلى تحسين متانة النظام أثناء الاختبار.
4. تقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي النشطة
إذا لم تحل تقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي السلبية المشكلة، يمكن استخدام طرق التخفيف النشطة. تقطع هذه التقنيات مسارات انتشار الضوضاء مباشرة بدلًا من مجرد تقليل الاقتران.
عزل مسارات التأريض
يُعد عزل مسارات التأريض بين وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) ووحدة التحكم في الطيران (FMU) نهجًا نشطًا فعالًا. من خلال كسر اتصال التأريض المباشر، يتم منع الضوضاء الناتجة عن إلكترونيات الطاقة العالية من الانتشار إلى الدوائر التناظرية والرقمية الحساسة.
يُعد عزل التأريض مفيدًا بشكل خاص عندما تستمر انقطاعات ADC أو أخطاء الاتصال على الرغم من ممارسات التوصيل والتأريض الدقيقة.
يمكن أن يلعب كل من العوازل التناظرية والرقمية دورًا في عزل التأريض - العوازل التناظرية لمصادر الطاقة وشبكات توصيل الطاقة، والعوازل الرقمية لوحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) ومعدات توصيل الإشارات الأخرى.
مثال: العازل البصري
يُعد العازل البصري أو العازل الضوئي مثالًا على العازل الرقمي الذي يمكن استخدامه لتنفيذ عزل التأريض مع الحفاظ على سلامة الإشارة. في هذا التكوين، يتم نقل إشارات التحكم بصريًا بدلًا من كهربائيًا، مما يمنع الضوضاء من العبور بين نطاقي الطاقة والتحكم.
الشكل 9: العازل الضوئي SparkFun
تم استخدام العوازل الضوئية بنجاح لعزل خطوط PWM أو التحكم بين وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) ووحدة قياس القوة (FMU) في حامل اختبار فلايت ستاند، مما قلل بشكل كبير من الانقطاعات المتعلقة بالتداخل الكهرومغناطيسي في بيئات الاختبار الصعبة.
فيما يلي مخطط الأسلاك للعازل الضوئي SparkFun، كمثال:
الشكل 10: مخطط أسلاك العازل الضوئي SparkFun
الخلاصة
يُعد التداخل الكهرومغناطيسي اعتبارًا لا مفر منه في اختبار دفع الطائرات المسيّرة، حيث تعمل المحركات عالية الطاقة ووحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) وإلكترونيات التبديل جنبًا إلى جنب مع أنظمة القياس والتحكم الحساسة. غالبًا ما تظهر مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي في شكل انقطاعات متقطعة بدلًا من أعطال قابلة للتكرار، مما يجعل من الصعب تشخيصها دون نهج منهجي يشمل قياس التداخل الكهرومغناطيسي، وتخطيط الأسلاك بعناية، والتأريض الصحيح.
يمكن تخفيف معظم مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي في اختبار الدفع باستخدام تقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي السلبية مثل فصل أسلاك الطاقة والبيانات، وإزالة حلقات التأريض، وتحسين مسارات التأريض، وتطبيق خرز الفيريت أو مرشحات التداخل الكهرومغناطيسي عند الواجهات الحرجة.
عندما لا تكون الطرق السلبية كافية، يمكن لتقنيات تقليل التداخل الكهرومغناطيسي النشطة مثل عزل التأريض باستخدام العوازل الضوئية أن توفر حماية إضافية للإلكترونيات الحساسة، مما يحسن موثوقية الاختبار ويضمن نتائج اختبار متسقة وقابلة للتكرار للطائرة المسيّرة.