作者：Michele Lorusso 和 Soudeh Tavousi
电磁干扰（EMI）是测试无人机推进系统时常见且往往令人沮丧的挑战。与 EMI 相关的症状可能导致测试中断，尤其是在电机、电子调速器（ESC）和测量电子设备同时运行的高功率测试环境中。
在实际操作中，EMI 的来源往往难以追溯到单一源头。根据我们对多个客户测试系统的经验，EMI 相关问题通常可以通过合理的布局、布线和接地方式得到解决。在采取被动措施仍不足以解决问题的情况下，可以使用主动缓解技术来进一步隔离敏感电子设备。
本文概述了无人机测试中常见的 EMI 来源，并介绍了减少 EMI 的实用方法。
图 1：使用 Flight Stand 15 的无人机推进系统测试装置
目录
- 无人机测试中的 EMI 来源
- 推进系统组件
- 测试设备
- 测试环境
- 如何减少 EMI
- 如何测量 EMI
- EMI 减少工作流程
- 被动 EMI 减少技术：
- 布线调整
- 地环路与接地
- 机械 EMI 来源与隔离
- 铁氧体磁珠与 EMI 滤波器
- 连接
- 主动 EMI 减少技术：
- 隔离地线
- 示例：光耦合器
1. 无人机测试中的 EMI 来源
EMI 往往表现为间歇性断开，而不是持续性故障，这使得识别根本原因变得十分困难。
EMI 可能源自机械和电气设备。机械来源包括点火启动器或继电器等组件产生的火花或间歇性接触，而电气来源包括高速开关电子设备、电源转换器和数字控制信号。了解来源的性质有助于确定缓解措施的重点。
以下是无人机测试中一些常见的 EMI 来源。
推进系统组件
在无人机测试环境中，EMI 主要由高功率或快速开关的组件产生。电机和 ESC 是主要来源，尤其是由于大电流瞬变和 PWM 开关。高压电池线路也可能辐射噪声，而长电缆则可能充当天线。
图 2：安装在 Flight Stand 50 上的无人机推进系统
购买用于推进系统测试装置的新组件时，请务必仔细阅读用户手册，并查看有关减少 EMI 的具体说明。我们遇到过某些型号的 ESC 和冷却泵似乎会给系统带来额外的 EMI，因此组件制造商通常会在手册和数据手册中提供额外的 EMI 缓解步骤，请查看这些文档以获取提示。
测试设备
测量单元和外部电源等测试设备使系统变得更加复杂。这些组件引入了更多布线、额外的接地路径，以及更多噪声耦合到敏感电子设备的可能。
下图展示了一个正确布置的无人机测试装置，包括 Flight Stand 测试台、电机、ESC、电池、电气测量单元（EMU）和 Sync Hub：
图 3：正确配置的推进系统测试装置
除了按此方式连接系统组件外，我们还建议尽可能将设备直接连接到计算机，并避免使用 USB 集线器。
测试环境
环境条件会以细微但有意义的方式影响 EMI 行为。
温度会影响半导体开关行为：设备温度越高，开关速度通常会略微变慢；设备温度越低，产生的边缘越陡峭，从而增加高频发射；同时，振荡器和时钟可能会随温度漂移。
湿度主要影响表面导电性和耦合，而不是直接影响发射。低湿度会增加静电积累和 ESD 风险，而高湿度可能会增加电缆和 PCB 的表面漏电流，并略微削弱辐射场。
温度和湿度共同改变空气的介电特性，这可能会略微影响电磁波传播和天线耦合。
虽然这些影响通常很小，往往低于 1 至 3 dB，但它们可能会导致波动，使 EMI 问题表现为间歇性断开，而不是可重复故障。
2. 如何减少 EMI
如何测量 EMI
推进系统测试装置中的 EMI 通常使用近场测量和频域分析进行评估，以识别发射源和耦合路径。
用于初步 EMI 评估的推荐设备包括：用于检查地环路的示波器，以及用于更详细频率分析的频谱分析仪。
图 4：示波器（左）和频谱分析仪（右）
对于更高级的 EMI 分析，Tyto 团队还使用了其他设备，包括磁近场探头、在线低噪声放大器、用于输入保护和线性度的固定衰减器，以及配备差分探头的示波器，以便将功率线和信号线上的频谱发射与开关行为进行关联。对于基础故障排除，这些额外设备并非必需。
图 5：高压差分探头，在某些情况下非常有用，但对于基础 EMI 故障排除并非必需
要确定仪器底噪，请关闭所有设备，并使用固定几何结构进行近场扫描：磁场探头与机身保持一致距离，采用固定阻抗路径、固定带宽设置和固定放大器配置，然后将得到的基准电平视为用于比较的本地噪声底噪。
使用磁近场探头扫描电机、ESC、电缆和机身表面。在宽频率范围内观察发射，并相对于本地噪声底噪进行解释，将较高的频率频段（高于底噪约 20 dB 的任何部分）标记为需要进一步调查和缓解。
EMI 减少工作流程
当出现 EMI 相关问题时，推荐的方法是从被动 EMI 减少技术开始。这些方法侧重于布线布局、接地策略和物理隔离，而不是添加新的电子设备。更多细节将在下一节中提供。
评估实验室环境也可能提供线索，帮助判断环境温度或湿度是否可能导致 EMI 传播。
进一步的主动 EMI 减少技术可能包括隔离地线，本文第 4 节中以示例进行了说明。
被动技术通常足以解决无人机测试中的断开连接问题，并且在转向主动缓解方法之前，应完全实施这些技术。
3. 被动 EMI 减少技术
布线调整
减少 EMI 最有效的方法之一是将高功率布线与数据和信号布线分开。同类型的电线应捆绑在一起。数据线应缠绕或扭在一起，高功率电线也应缠绕或扭在一起。
这可以减小回路面积并限制辐射噪声。还建议尽可能缩短从 FMU 到 ESC 的 PWM 线，以尽量减少噪声拾取。
地环路与接地
地环路是推进系统测试中常见的 EMI 来源。
当相互连接的设备共享多个导电回流路径（包括公共地线）时，如果它们表现出不同的电压电位，就会发生地环路。这种差异可能仅为零点几伏，但足以在系统中引入干扰。
这些回路允许噪声电流循环并耦合到敏感电子设备中。应检查布线是否存在回路路径，并尽可能将其重新布置为平滑的 S 型路径。
为了避免 Flight Stand 装置中的地环路，应使用可用阻抗最低的路径将 Sync Hub 和电池地线连接在一起，通常是尽可能短且规格合适的电线。
应尽可能避免采用菊花链式连接。推荐采用星形布局来降低地电位。
图 6：正确的星形布局布线（左）和不正确的菊花链式连接（右）
正确接地所有导电组件至关重要。测试台本身应使用尽可能短且阻抗最低的连接，将其接地至与电池和 Sync Hub 相同的参考点。
确保所有主要组件共享公共地线参考，可以减少电位差，并防止不必要的电流流经信号路径。
图 7：接地电缆为电流流向大地的直接路径（来源： Electrotechnik）
机械 EMI 来源与隔离
EMI 也可能源自机械或机电来源，例如点火启动器、继电器或冷却泵。这些设备由于火花、间歇性接触或电流快速变化，可能会产生大量的 EMI 和 ESD，并且在推进系统测试装置中经常被忽视。
对于点火系统或冷却泵等高 EMI 设备，建议使用与敏感电子设备不同的连接器或断路器为它们供电。关键要求是这些设备不得与 Flight Stand、ESC 或测量电子设备共享地线路径，这有助于防止噪声和放电电流耦合到系统中。
物理隔离也是一种有效的缓解技术。高 EMI 设备应尽可能远离 Flight Stand，对于泵等组件，建议最小距离约为 2 米。
最后，对于已知的强 EMI 设备，应为其提供强力专用接地。这为 ESD 和噪声电流创造了首选的放电路径，确保它们直接流向大地，而不是流经敏感电子设备。
铁氧体磁珠与 EMI 滤波器
可以使用铁氧体磁珠来抑制数据线和信号线上的高频噪声。在这些电缆上安装铁氧体磁珠可以衰减 EMI，同时不影响正常信号运行。
图 8：USB 电缆上的铁氧体磁珠
EMI 滤波器通过衰减干扰同时允许正常电源或信号运行，从而减少不必要的射频噪声。它们通常安装在电源输入端或信号接口处，以防止噪声进入或离开系统。
铁氧体磁珠和 EMI 滤波器都有其最有效的频率范围。可以使用频谱分析仪来识别系统中的问题频率，然后选择合适的磁珠或滤波器。例如，USB 电缆上常用的铁氧体磁珠通常在几十到几百兆赫兹范围内最有效，通常在 100 MHz 左右。
当仅改变布线布局无法完全解决问题时，这些技术尤其有用，并且可以在不修改整体系统设计的情况下快速实施。
连接
如果 EMI 相关断开连接仍然存在，暂时断开可能充当噪声入口的非必要测量连接可能会有所帮助。
例如，断开 Flight Stand EMU 上的高压传感端口，可以帮助判断该连接是否在造成问题。
减少进入敏感电子设备的电气路径数量，通常可以提高测试期间的系统鲁棒性。
4. 主动 EMI 减少技术
如果被动 EMI 减少技术无法解决问题，可以使用主动缓解方法。这些技术直接切断噪声传播路径，而不是仅仅减少耦合。
隔离地线
一种有效的主动方法是在 ESC 和 FMU 之间隔离地线。通过切断直接接地连接，可以防止由高功率电子设备产生的噪声传播到敏感的模拟和数字电路中。
当 ADC 断开连接或通信错误在采取了仔细布线和接地措施后仍然存在时，地线隔离尤其有用。
模拟隔离器和数字隔离器都可以发挥地线隔离的作用——模拟隔离器用于电源和电源分配网络，数字隔离器用于 ESC 和其他信号传输设备。
示例：光耦合器
光耦合器或光隔离器是数字隔离器的一种示例，可用于实现地线隔离，同时保持信号完整性。在这种配置中，控制信号通过光学而非电气方式传输，防止噪声在功率域和控制域之间穿过。
图 9：SparkFun 光隔离器
光隔离器已成功用于隔离 Flight Stand 测试台的 ESC 和力测量单元（FMU）之间的 PWM 或控制线，显著减少了严苛测试环境中的 EMI 相关断开连接。
以下是 SparkFun 光隔离器的布线图示例：
图 10：SparkFun 光隔离器布线图
结论
电磁干扰是无人机推进系统测试中不可避免的考量因素，因为高功率电机、ESC 和开关电子设备与敏感的测量和控制系统共同运行。EMI 问题往往表现为间歇性断开，而不是可重复故障，这使得如果没有包括 EMI 测量、仔细布线布局和正确接地的系统方法，就很难进行诊断。
推进系统测试中的大多数 EMI 问题都可以使用被动 EMI 减少技术得到缓解，例如分离电源和数据布线、消除地环路、改善接地路径，以及在关键接口处使用铁氧体磁珠或 EMI 滤波器。
当被动方法不足以解决问题时，使用光隔离器进行地线隔离等主动 EMI 减少技术可以进一步保护敏感电子设备，提高测试可靠性，并确保无人机测试结果的一致性和可重复性。