汽車電磁兼容檢測天線調(diào)整裝置開環(huán)控制系統(tǒng)原理設(shè)計

謝　曲

（1.柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545006；2.柳州市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，廣西 柳州545000）

汽車控制裝置的抗電磁干擾性能缺陷，使汽車控制性能降低甚至失效，嚴重影響汽車的安全行駛；汽車行駛過程產(chǎn)生的電磁騷擾，將造成環(huán)境的電磁污染。隨著汽車電子化和電動汽車的發(fā)展，檢測汽車的電磁抗干擾性能及其行駛過程產(chǎn)生的電磁騷擾限值，已經(jīng)成為世界各國的強制性法規(guī)要求。電波暗室內(nèi)檢測時，需要調(diào)整天線相對地面和被測車輛的位置，目前需要停機后操作人員進入電波暗室內(nèi)進行調(diào)整，存在效率低、操作人員容易受電磁輻射傷害等問題。為解決汽車電磁兼容（EMC）檢測天線位置調(diào)整過程存在的問題，作者開發(fā)了汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置，并獲得了專利授權(quán)[1]。根據(jù)相關(guān)標準，在電波暗室內(nèi)進行汽車EMC檢測對檢測環(huán)境的電磁性能有嚴格要求，由于開環(huán)控制系統(tǒng)在電波暗室內(nèi)不需要傳感器與電子設(shè)備，具有不產(chǎn)生額外的電磁騷擾能夠保證電波暗室檢測環(huán)境要求的特點。因此開環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的控制，具有特殊的可行性，本文介紹汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的開環(huán)控制系統(tǒng)的電原理設(shè)計方案。

1　汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置簡介

汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1　天線調(diào)整裝置設(shè)計案例總體結(jié)構(gòu)圖

圖1所示天線調(diào)整裝置由調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)、控制裝置組成，調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)包括液壓站與距離調(diào)節(jié)液壓缸組、液壓缸座與擺動鉸接總成、天線升降液壓缸組。由于電波暗室造價昂貴，電波暗室的空間有限，為使天線調(diào)整裝置在電波暗室有限的空間內(nèi)實現(xiàn)足夠的調(diào)整范圍，以便能夠檢測較寬范圍的車型，各液壓缸采用伸縮缸?？刂葡到y(tǒng)控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)配合液壓缸，實現(xiàn)天線的位置、角度調(diào)整，滿足不同車型、不同檢測項目的檢測要求。

2　天線調(diào)整裝置的要求[2]

2.1　電波暗室電磁環(huán)境要求

進行電磁騷擾限值檢測時，電波暗室的環(huán)境噪聲電平應(yīng)比標準要求的騷擾限值低6 dB以上。因此，要求汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置（特別是其控制系統(tǒng)），盡可能降低工作過程產(chǎn)生的電磁噪聲。

2.2　汽車EMC檢測天線與被測汽車的相對位置、方向要求

汽車EMC檢測天線與被測汽車的距離、高度均需要滿足相關(guān)標準的規(guī)定。被檢測車型不同外型尺寸不同，在汽車EMC檢測轉(zhuǎn)臺上的位置不同；不同的檢測項目與檢測方法，對天線與被測汽車的相對位置要求不同；控制系統(tǒng)必須能夠根據(jù)需要，控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整檢測天線的平面坐標、高度與角度。

（1）天線與被測汽車的相對位置要求

汽車EMC檢測天線與被測件平面位置關(guān)系如圖2所示。汽車EMC檢測時，汽車在轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)鼓上運行，根據(jù)不同車型，轉(zhuǎn)鼓的軸線在轉(zhuǎn)臺上可以移動；標準要求對汽車的兩個側(cè)面進行檢測，因此，完成被測汽車的一個側(cè)面檢測后，由轉(zhuǎn)臺帶動被測汽車旋轉(zhuǎn)180°進行另一側(cè)面的檢測。檢測時，檢測天線要正對被測件，以獲得最佳檢測效果。

圖2　汽車EMC檢測天線平面位置示意圖

因此要求控制系統(tǒng)能夠控制執(zhí)行機構(gòu)，在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)檢測天線位置的調(diào)整。

（2）天線與被測汽車的相對方向要求

進行抗擾度檢測時，波束窄的發(fā)射天線應(yīng)始終指向被測件。采用10 m法進行電磁騷擾檢測時，天線參考點到車輛或裝置邊緣的金屬部分的水平距離為（10.0 m±0.2）m，天線中心離地板的高度為3.00 m±0.05 m，并要求天線處于最大敏感度方向。

控制系統(tǒng)必須能夠根據(jù)需要，控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整檢測天線的空間角度（包括天線水平方向的角度與天線相對水平面的角度）。

3　汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置控制系統(tǒng)的功能分析

根據(jù)以上電波暗室電磁環(huán)境要求，以及開環(huán)控制系統(tǒng)的特點，本文采用開環(huán)控制系統(tǒng)。由于不需要進行天線位置檢測，電波暗室內(nèi)沒有電子裝置，能夠不產(chǎn)生額外的電磁干擾，可以更好地滿足電波暗室電磁環(huán)境的要求。由于沒有天線位置、角度檢測，因此只能依靠控制天線座的移動量、天線平臺升降高度與傾斜角度，來保證天線與被測汽車的相對位置、方向的要求。因此，對移動量的控制精度有較高要求。

本文以檢測車輛規(guī)格范圍為微型車到18 m大客車為例進行功能分析。

3.1　檢測天線平面位置的調(diào)整

通常18 m大客車為后置后驅(qū)動。如圖2所示，大客車發(fā)動機位于轉(zhuǎn)臺的最遠端1，檢測天線位于3；從大客車另一側(cè)面進行EMC檢測時，大客車發(fā)動機位于1*，檢測天線位于3*，即檢測天線需要從3調(diào)整到3*的位置。當(dāng)檢測微型車時，被測車輛位于圖2中1.1、檢測天線位于3.1；檢測另一側(cè)時，檢測天線需要從3.1調(diào)整到3.1*的位置。進行微型車檢測時，微型車發(fā)動機位于轉(zhuǎn)臺的最近端1.1、檢測天線位于3.1；從微型車另一側(cè)面進行EMC檢測時，微型車發(fā)動機位于1.1*，檢測天線位于3.1*，即檢測天線需要從3.1調(diào)整到3.1*的位置。

根據(jù)不同檢測方法的要求，天線距被測件距離可能為10.0 m±0.2 m或者3.00 m±0.05 m、或者2 m、或者按照抗擾度信號波長與被測車輛長度之間的關(guān)系確定[2]。

為實現(xiàn)以上調(diào)整，開環(huán)控制系統(tǒng)需要定量控制液壓缸擺動鉸接裝置轉(zhuǎn)過的角度，定量控制左、右液壓缸伸出的長度。

3.2　檢測天線水平面法線方向的調(diào)整

根據(jù)被測車輛的位置，調(diào)整檢測天線水平方向角度，使接收天線處于最大接收信號的方向，或者使發(fā)射天線處于接地平面和被測件的極化方向。開環(huán)控制系統(tǒng)通過定量控制液壓缸擺動鉸接裝置轉(zhuǎn)過的角度，以及定量控制左、右液壓缸伸出的長度實現(xiàn)。

3.3　檢測天線高度與傾斜角度的調(diào)整

檢測天線的立面示意見圖1（b）。

根據(jù)不同車型的高度、布置，開環(huán)控制系統(tǒng)通過分別定量控制4個天線升降液壓缸的供油量，實現(xiàn)檢測天線高度與傾斜角度的調(diào)整。

4　汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置開環(huán)控制系統(tǒng)原理設(shè)計

4.1　開環(huán)控制系統(tǒng)原理

汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置開環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3　開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

輸入系統(tǒng)用于輸入被檢測汽車的車型參數(shù)、檢測項目、檢測方法等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理器根據(jù)輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算形成被檢測汽車與檢測天線的位置關(guān)系與檢測天線的坐標、角度值，并根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算各液壓缸的供油量、擺動鉸接液馬達的供油量（或者鉸接輪的轉(zhuǎn)動角度），進而形成控制指令，并向驅(qū)動控制器發(fā)送控制指令。如前所述，為使機構(gòu)緊湊并實現(xiàn)大范圍調(diào)整，各液壓缸采用伸縮缸，由于伸縮缸各段缸徑不同，調(diào)整距離與需要的供油量關(guān)系不同，計算供油量時需要予以考慮。

驅(qū)動控制器根據(jù)控制指令，形成具有足夠驅(qū)動能力的信號驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)。

執(zhí)行機構(gòu)包括調(diào)整天線平面坐標與水平方向角度的液壓缸組和擺動鉸接裝置，調(diào)整天線的高度與傾斜角度的天線升降液壓缸組。執(zhí)行機構(gòu)由液壓站及其驅(qū)動的距離調(diào)節(jié)液壓缸組、液壓缸座與擺動鉸接總成、天線升降液壓缸組等組成，各液壓缸采用定量供油結(jié)構(gòu)；液壓缸擺動鉸接裝置可以采用定量液壓馬達，也可以是繩輪（或者帶輪）帶動的擺桿機構(gòu)（該機構(gòu)的擺桿為液壓缸），繩輪（或者帶輪）由安裝在暗室外的電機驅(qū)動，暗室外電機采用步進電機或者伺服電機。

4.2　控制系統(tǒng)軟件流程圖

汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置開環(huán)控制系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4　開環(huán)控制系統(tǒng)軟件程序框圖

系統(tǒng)初始化進行檢測與位置調(diào)整的準備，并使天線從初始位置開始進行位置調(diào)整。

“輸入車型尺寸”模塊輸入被測車型的相關(guān)尺寸、檢測項目的相關(guān)數(shù)據(jù)?！坝嬎闾炀€坐標”與“計算各執(zhí)行器調(diào)整值”模塊，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)與標準要求，軟件計算天線的坐標值與角度，并根據(jù)調(diào)整需要計算各液壓缸與擺動鉸接裝置液壓馬達的供油量，或者驅(qū)動擺桿機構(gòu)繩輪（或者帶輪）步進電機的步數(shù)（或者伺服電機的轉(zhuǎn)動角度）。進而驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，使天線位置滿足檢測要求。

對于電磁騷擾限值檢測，標準要求天線處于最大接收信號的方向，需要通過預(yù)掃描選取車輛的最大輻射方向，將反復(fù)執(zhí)行“天線角度調(diào)整-檢測電磁騷擾限值”程序，不斷調(diào)整天線的方向，并對檢測到的電磁騷擾限值進行比較，以確定被測車輛的最大輻射方向，最終獲得檢測車輛的最大輻射方向的電磁騷擾限值。

軟件系統(tǒng)程序運行結(jié)束前，存儲本次檢測與調(diào)整的相關(guān)數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)庫文件，以便后續(xù)相同檢測業(yè)務(wù)調(diào)用，并為后續(xù)的進一步研究提供數(shù)據(jù)積累。同時，使天線返回初始位置。

5　被測車輛的最大輻射方向的確定

為了確定被測車輛的最大輻射方向，需要反復(fù)執(zhí)行“天線角度調(diào)整-檢測電磁騷擾限值”程序，即天線位置調(diào)整裝置需要與EMC檢測設(shè)備交替工作，是天線位置調(diào)整耗時最長的過程。為盡可能減少該程序的循環(huán)次數(shù)，按照優(yōu)化設(shè)計一維搜索的區(qū)間消去法[3]，使檢測天線接收信號的方向逐步逼近被測車輛的最大輻射方向。本設(shè)計采用最常用的黃金分割法進行區(qū)間消去（見圖5）。圖中表示最大輻射方向靠近a端的情況，區(qū)間消去的下一次搜索區(qū)間為（a，α2）；若最大輻射方向靠近b端，則下一次搜索區(qū)間為（α1，b）；以此類推。取黃金分割法區(qū)間縮短率λ=0.618.下一次搜索區(qū)間端點按照式（1）、（2）計算。

圖5　黃金分割法區(qū)間消去示意圖

（1）搜索區(qū)間（a，b）與下一次搜索區(qū)間端點的確定：

按照經(jīng)驗選取搜索區(qū)間，使搜索區(qū)間包含最大輻射方向。并在電磁騷擾限值檢測子程序開始時輸入搜索區(qū)間端點位置。無經(jīng)驗參考的情況下，以被測車輛的最外輪轂作為搜索區(qū)間。

（2）最大輻射方向的確定屬于單峰函數(shù)確定最大值的問題。

（3）收斂精度的確定

以標準規(guī)定的檢測精度作為收斂精度，當(dāng)兩次電磁騷擾檢測值的差小于等于檢測精度要求時，搜索結(jié)束，并取測得電磁騷擾的較大檢測值作為電磁騷擾限值判斷值。

6　結(jié)束語

本文在分析汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置及其控制要求的基礎(chǔ)上，對汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置開環(huán)控制系統(tǒng)進行功能分析，并介紹該裝置的開環(huán)控制系統(tǒng)的原理設(shè)計方案。該控制系統(tǒng)具有容易滿足電波暗室內(nèi)汽車電磁兼容性的檢測環(huán)境要求的特點，并對各執(zhí)行機構(gòu)的定量控制，可以保證檢測天線的位置與方向精度。