汽车起重机操作引起的瞬态电磁骚扰特性研究初振东

汽车起重机操作引起的瞬态电磁骚扰特性研究初振东

初振东

神华哈尔乌素露天煤矿设备维修中心内蒙古鄂尔多斯市010300

摘要：针对汽车起重机中起重机子系统操作过程中产生的瞬态电磁骚扰，分析了其时域特性，并将主要骚扰源的幅值、频率参数与ISO7637-2中的标准抗扰度测试波形进行了对比。结果表明：汽车起重机暂态电磁骚扰电压幅值偏低，但存在着严重的高频骚扰,将现有标准应用于汽车起重机的抗扰度测试时应进行相应的调整。

关键词：汽车起重机；电磁兼容；骚扰源；时域特性；抗扰度测试

汽车起重机由汽车底盘和起重机两个无直接电气连接的子系统构成。目前针对汽车的电磁兼容问题已经有了大量的研究工作。我国制定了相应的限值和测试标准，如GB14023、GB/T18655和GB/T18387。但是在起重机子系统方面，相关研究仍处于起步阶段，文献[9]定性分析了变频起重机的电磁兼容问题，指出了可能存在的干扰源，介绍了减小谐波干扰的措施，但是并没有定量的对起重机的骚扰源特性进行分析。在汽车发动机启动和切除感性负载的瞬态过程中会产生严重的电磁骚扰。对于起重机子系统，其动力也来自于发动机，装有空调等大感性负载，也存在类似的瞬态过程。在这类瞬态过程中，电路参数发生突变而导致线路电压突变，会对回路中的敏感设备造成严重的电磁骚扰。而且瞬态过程较快，骚扰电压频率较高，容易耦合到附近的其他回路中。本文通过现场实际测量，分析了在启动发动机及切除大功率感性负载（空调）这两种最常见操作过程中，汽车起重机的各主要瞬态电磁骚扰源的时域特性。

一、测试结果分析

1.1测试所用示波器为

Tek4034B、DLM2054，使用示波器原装探头，测试中变比选取1：1。测试用汽车起重机为中联重科公司生产的QAY180。对于每一暂态过程，对骚扰波形都进行了大量采样。在后续的数据处理和分析中，采用各样本的平均值作为评价指标。

发动机启动暂态发动机启动时，其点火装置动作，电路中形成较大幅值的冲击电流，由于实际电源存在内阻，会造成电源电压骤降，可能会导致敏感设备电源电压大幅跌落，影响敏感设备的正常工作。从上到下依次是总开关负载侧电压波形、总开关负载侧电流波形、力限器电源电压波形。可以看出，总开关负载侧电压波形与力限器电源电压波形比较相似，时间参数非常接近，力限器电源电压振荡幅值比较低。总开关负载侧电流波形中的大幅值冲击在时间上与该点电压的大幅跌落相吻合，而电流波形中的瞬态脉冲群也与电压波形在时间上有很好的对应关系，脉冲间隔时间最大值80.73ms，最小值29.24ms，随时间成递减趋势，单个脉冲时间最大值8.818ms，最小值1.730ms，随时间成递减趋势。力限器电源电压此时也存在瞬态脉冲群，振荡幅值很小。发电机出口电压跌落过程中，总开关负载侧电压幅值下降8V，力限器电源端口电压幅值下降7.6V，下降时间均为1.9ms。该波形除了明显的电压跌落外，还存在大幅值、高频率、持续时间较长的瞬态脉冲群。瞬态脉冲群波形中，最大电压峰谷差达到40.98V，上升、下降时间都达到纳秒量级，脉冲群总时间长度为526.60ms，脉冲群内两次脉冲平均间隔时间为95.14μs，信号带宽13.59MHz。

1.2断开空调负载（感性负载）暂态过程

断开空调负载时，空调电源电压波形如图2所示，可以根据脉冲幅值和时间顺序，将其分为小幅值脉冲群，较小幅值脉冲群和大幅值脉冲群三个部分。小幅值脉冲群与较小幅值脉冲群之间的时间间隔为59.82μs，较小幅值脉冲群与大幅值脉冲群之间的时间间隔为453.08μs。其中，大幅值脉冲群由三个瞬态脉冲群组成。由于脉冲频率很高，该骚扰容易通过杂散电容耦合到附近的敏感设备端口。

为了不受CAN总线信号电平的影响，能直接反映CAN总线耦合的骚扰电压情况，测试时，取一段与起重机实际使用的CAN总线相同规格的CAN总线固定在实际使用的CAN总线上，作为测试点。由于其几何尺寸较小，可以认为两者位置完全相同，与附近电源线、信号线之间的杂散参数基本相同，测试得到的电压波形即为CAN总线耦合的骚扰电压波形。

比较空调电源电压波形中大幅值脉冲群与CAN总线耦合骚扰电压波形的时间参数，如表1所示，脉冲群的持续时间与时间间隔都可以很好地吻合，说明CAN总线耦合骚扰电压是由空调电源线上的骚扰电压造成的。根据测试结果，CAN总线耦合的骚扰电压幅值为2V左右，与CAN总线上的有效信号电平具有可比性，如果不加以控制，可能影响CAN总线信号的完整性，引起设备误动。

二、与ISO7637-2中抗扰度测试标准波形对比

ISO7637-2规定了12V电气系统和24V电气系统的道路车辆沿电源线的电传导骚扰及其抗扰度的试验等级和测量方法，目前许多针对车辆电子元件的测试均根据该标准执行。该标准中提出了5类不同的抗扰度测试波形：

①1＃，与感性负载断开后的暂态波形；

②2a＃和2b＃，和线束断开后的并联元件间的暂态波形；

③3a＃和3b＃，开关过程中的暂态波形；

④4＃，电机启动时的暂态波形；

⑤5a＃和5b＃，没有负荷时的暂态波形。比较实测波形的特征参数与标准波形的特征参数，W1表示供电端稳态情况下电压不规则振荡引入的骚扰；W2表示断开空调负载时空调电源电压波动引入的骚扰。tr为单个脉冲信号的上升时间，td为单个脉冲的总时间长度，U为电压最大峰谷差。表中同一波形分成两组参数的分别对应12V车载电气系统和24V车载电气系统。可以看出，供电端稳态情况下电压不规则振荡引入的骚扰在时间参数上与标准波形2a#在同一数量级，tr较大、td较小，幅值明显较低；断开空调负载时空调电源电压波动引入骚扰的时间参数与3a#波形比较接近，tr较大，幅值偏低。采取现有标准波形进行上述两工况下的测试可能会导致测试情况过于严酷。

W3表示发动机启动时的发电机出口骚扰源电压波形。t10为电压下降时间，Us为电压下降幅值。发动机启动时的发电机出口骚扰源电压波形与标准波形4#相似，振荡幅值略偏小，但是实测波形的电压下降时间更短，并且存在大幅值、高频率的瞬态脉冲群，骚扰情况更加严重。起重机子系统比传统汽车电气结构更加紧凑，高频骚扰更容易耦合到附近的敏感设备上，影响其正常工作，因此由启动引起的瞬态脉冲群的影响不可忽略。汽车起重机的子系统在供电端的组成情况和电气负载类型方面与普通道路汽车比较接近，但是其更紧凑的电气结构使其内部车载电器所处的电磁环境更加复杂，而整体的电磁兼容问题更加严重。因此，在对起重机子系统进行抗扰度测试或者制定专门的汽车起重机子系统抗扰度测试标准时，应该在ISO7637-2规定的标准波形基础上，考虑启动造成的瞬态脉冲群引起的骚扰。

结论

（1）启动发动机时，电源电压的跌落会超过8V，影响车载电器的正常工作。而且此后的高频瞬态脉冲群同样也是一个重要的电磁骚扰源。（2）切断大功率感性负载时，电源电压高幅值的高频瞬态脉冲群能够通过空间杂散电容耦合到敏感设备——CAN总线上，影响信号完整性，可能造成车载电器误动。（3）起重机子系统中的实际骚扰源波形的特征参数与ISO7637-2中的测试波形有一定的差异。

参考文献

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