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

林 斌

（柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州545006）

隨著人們對汽車性能要求越來越高，電子技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，汽車電磁兼容性（EMC）越來越重要，控制裝置抗干擾能力不足，導(dǎo)致汽車操控性能降低，成為汽車行駛安全事故的隱患，損害人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全；另一方面，汽車運(yùn)行產(chǎn)生的電磁騷擾，將造成環(huán)境的電磁污染。因此，我國與世界各國均制訂法規(guī)，強(qiáng)制性要求檢測汽車的電磁兼容性能。汽車電磁兼容性能檢測通常采用在電波暗室內(nèi)進(jìn)行檢測的方式，檢測時(shí)需要調(diào)整天線的位置，傳統(tǒng)的方法是停機(jī)后操作人員進(jìn)入暗室調(diào)整，導(dǎo)致檢測勞動強(qiáng)度大、容易受電磁污染、效率低等問題。為解決傳統(tǒng)方法存在的問題，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]，該調(diào)整裝置可通過開環(huán)控制或者閉環(huán)控制，閉環(huán)控制具有重復(fù)性好、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹該裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)。

1 汽車E M C檢測天線調(diào)整裝置簡介

1.1 汽車E M C檢測簡介

汽車EMC檢測，包括汽車電磁抗干擾性能（EMS，電磁抗擾度）檢測，以及汽車電磁騷擾（EMI）限值檢測。EMS檢測通過對汽車及其零部件（以下稱被測件）施加不同頻率段、一定強(qiáng)度的試驗(yàn)信號，使其性能降低達(dá)到規(guī)定的值，或者試驗(yàn)信號達(dá)到規(guī)定的電平，以判斷被測件的電磁抗干擾性能是否符合要求。電磁騷擾包括窄帶騷擾和寬帶騷擾，EMI檢測的場地可以是戶外試驗(yàn)場地，也可以在電波暗室（裝有吸波材料的屏蔽室）中進(jìn)行。在電波暗室中檢測具有環(huán)境可控、不受外界條件影響、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用[2]。

汽車EMC檢測天線位置（見圖1）需要滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[2]：

（1）電磁抗擾度測量

①為了獲得均勻的試驗(yàn)場，應(yīng)滿足如下規(guī)定：

當(dāng)被測件尺寸小于抗擾度信號波長時(shí)，天線與被測件的間距L2按照式（1）確定：

式中：L2為天線與被測件的間距；Ls為抗擾度信號波長

當(dāng)被測件各方向尺寸大于抗擾度信號波長時(shí)，天線與被測件的間距L2按照式（2）確定：

式中：L2為天線與被測件的間距；Ls為抗擾度信號波長；Lm為被測件最大尺寸（m）.

②波束窄的發(fā)射天線應(yīng)始終指向被測件。

③按照ISO11451的測試要求，汽車抗擾度試驗(yàn)的信號頻率為10 kHz～6 GHz，場強(qiáng)需達(dá)到200 V/m.

（2）電磁騷擾限值檢測

①優(yōu)先選用10 m法（天線參考點(diǎn)到被測件邊緣金屬部分的水平距離為10.0 m±0.2 m，天線中心高度為3.00 m±0.05 m）；滿足規(guī)定的條件時(shí)，也可以選用3 m法（天線參考點(diǎn)到被測件邊緣金屬部分的水平距離為3.0m±0.05 m，天線中心高度為 1.80 m±0.05 m）。被測件為電動車輛時(shí)，棒天線置于地面上，距離車輛最近部分為3.0 m±0.1 m；環(huán)天線中心置于地面以上1 m±0.05 m，距離車輛最近部分為3.0 m±0.2 m，環(huán)天線位于磁場的最大敏感度方向，電場方向平行于環(huán)平面。

②天線應(yīng)處于最大接收信號的方向，汽車在規(guī)定的穩(wěn)定車速運(yùn)行，測量其最大發(fā)射。

③同時(shí)裝有電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，或者裝有多個(gè)發(fā)動機(jī)時(shí)，應(yīng)分別將其依次定位在天線正前方進(jìn)行測試。

圖1 汽車E M C檢測天線位置示意圖

1.2 汽車E M C檢測天線調(diào)整裝置總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的一種汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中暗室墻體1、安裝板2與電磁波吸附層3屬于電波暗室部分，4-13為汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的組成部分，汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置由天線位置、方向（角度）調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括擺臂機(jī)構(gòu)（由擺臂4與液壓擺動馬達(dá)5組成）、天線座6、天線升降液壓缸7、天線安裝平臺8與液壓站9。其中，擺臂4共4條（上左擺臂、上右擺臂、下左擺臂、下右擺臂），上左擺臂和下左擺臂與天線座兩端用鉸鏈連接，上右擺臂和下右擺臂與安裝板之間通過液壓擺動馬達(dá)5連接，上左擺臂與上右擺臂、下左擺臂與下右擺臂之間通過液壓擺動馬達(dá)5連接；天線升降液壓缸7包括4個(gè)液壓缸，安裝于天線安裝平臺的四角。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電控液壓系統(tǒng)驅(qū)動，液壓系統(tǒng)應(yīng)采用計(jì)量泵供油。擺臂機(jī)構(gòu)可以采用液壓擺動馬達(dá)5帶動擺臂4，也可以采用繩輪（或者帶輪）帶動的擺臂機(jī)構(gòu)，繩輪（或者帶輪）由步進(jìn)電機(jī)（或者伺服電機(jī)）驅(qū)動。

圖2 一種天線調(diào)整裝置案例結(jié)構(gòu)簡圖

閉環(huán)控制系統(tǒng)由控制裝置14與檢測單元12和13組成。檢測單元12和13采用紅外激光測量儀，該測量儀安裝于天線安裝平臺前端。紅外線激光測量儀集成了1個(gè)電子水平儀和2個(gè)紅外激光距離測量儀，其角度測量精度0.1°，距離測量精度1 mm.兩個(gè)檢測單元可以實(shí)現(xiàn)天線與被測件的間距、天線高度、天線傾角等實(shí)時(shí)檢測和反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測與計(jì)算的數(shù)據(jù)，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行調(diào)整，使天線與被檢測汽車的相對距離、方向符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以便實(shí)現(xiàn)檢測過程自動化，達(dá)到提高檢測精度、提高檢測工作效率、降低勞動強(qiáng)度、減少輻射污染傷害的目的。

為了確保EMC檢測數(shù)據(jù)的可靠性，汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置設(shè)計(jì)，應(yīng)確保檢測過程中，電波暗室電磁兼容性檢測的環(huán)境條件符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。因此，應(yīng)將液壓站與控制裝置安裝在電波暗室外。如采用繩輪（或者帶輪）帶動的擺臂機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動的電機(jī)也應(yīng)安裝在暗室外。

2 汽車E M C檢測天線調(diào)整裝置閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)功能分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以及天線調(diào)整裝置的調(diào)整需求，其控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）檢測天線與被測件的相對距離、高度，根據(jù)汽車EMC檢測的需要，調(diào)整天線與被測件的間距與高度，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并使電機(jī)或者各發(fā)動機(jī)依次定位在天線正前方；

（2）調(diào)節(jié)天線法線方向（包括水平方向角度調(diào)節(jié)與垂直方向角度調(diào)節(jié)），通過預(yù)檢測、比較被測件的電磁騷擾信號，選取天線處于最大接收信號的方向時(shí)進(jìn)行；

（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)及其工作過程應(yīng)避免對電波暗室的電磁環(huán)境造成影響；

（4）閉環(huán)控制系統(tǒng)在電波暗室內(nèi)的部分，在場強(qiáng)達(dá)到200 V/m時(shí)必須能夠正常工作；

（5）具有每次調(diào)整工作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的指示，以提示后續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的汽車EMC檢測。

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

根據(jù)汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置閉環(huán)系統(tǒng)功能分析，該閉環(huán)控制系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 檢測天線調(diào)整裝置閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

檢測時(shí)將EMC檢測天線安裝于天線安裝平臺上的指定位置，輸入系統(tǒng)用于輸入被檢測汽車的車型參數(shù)、檢測項(xiàng)目及其控制參數(shù)限值等數(shù)據(jù)，控制參數(shù)限值主要是標(biāo)準(zhǔn)對天線與被測件的間距、天線高度、天線傾角等的規(guī)定值及其范圍。對于圖2的汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置，檢測單元（紅外激光測量儀12和13）檢測天線與被測汽車的間距、天線高度、天線傾角等數(shù)據(jù)，并通過上、下兩紅外激光測量儀檢測得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到天線的水平方位。通過檢測單元檢測得到的天線狀態(tài)，反饋至數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器根據(jù)檢測單元檢測到的相關(guān)數(shù)據(jù)，與控制參數(shù)限值相比較，確定被測件與檢測天線的位置關(guān)系。經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理得到相應(yīng)的控制值，進(jìn)而形成控制指令，并發(fā)送給驅(qū)動控制器。驅(qū)動控制器根據(jù)控制指令驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)?！疤炀€檢測-控制驅(qū)動-調(diào)整天線位置”反復(fù)進(jìn)行，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

控制系統(tǒng)分別控制各液壓擺動馬達(dá)轉(zhuǎn)動的角度，帶動相應(yīng)擺臂擺動，改變各擺臂相對平面坐標(biāo)系的角度，從而調(diào)整天線座兩端與被測車輛的相對位置，可以獲得預(yù)定的間距與水平方向。分別調(diào)整4個(gè)天線升降液壓缸7的升降高度可以獲得需要的高度與天線傾角。

一方面，必須確保電波暗室的電磁環(huán)境條件符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。另一方面，由于電波暗室內(nèi)具有很強(qiáng)的電磁場，場強(qiáng)達(dá)到典型值200 V/m，將對控制裝置的工作形成強(qiáng)電磁騷擾。因此，應(yīng)將液壓站與電氣部分盡可能安裝在電波暗室以外。同時(shí)，在EMC檢測前還要關(guān)閉檢測單元，以便減少對電波暗室電磁環(huán)境的影響，并避免強(qiáng)電磁場對檢測單元的電磁騷擾。

（2）控制系統(tǒng)軟件流程圖

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

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)初始化完成天線位置調(diào)整、檢測的各項(xiàng)準(zhǔn)備。

標(biāo)準(zhǔn)要求天線處于最大接收信號的方向進(jìn)行電磁騷擾限值檢測，因此需要反復(fù)執(zhí)行“檢測、調(diào)整天線角度-檢測電磁騷擾值”程序，來確定車輛的最大輻射方向，以獲得的最大電磁騷擾檢測值作為車輛的電磁騷擾限值。

系統(tǒng)存儲天線位置調(diào)整與EMC檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便用于檢測重復(fù)性、可追溯性分析與相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究。

3 閉環(huán)控制模型構(gòu)建方法

3.1 天線位置與高度調(diào)整控制模型類型

天線位置與天線高度調(diào)整閉環(huán)控制系統(tǒng)屬于位置隨動系統(tǒng)，主要依靠位置負(fù)反饋來減小并最后消除位置偏差，可獲得較高的跟隨精度[3]。汽車EMC檢測天線位置調(diào)整，通過分別對各個(gè)連接擺臂的液壓擺動馬達(dá)的不同方向按一定量供油，帶動擺臂向相應(yīng)方向轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)。汽車EMC檢測天線高度調(diào)整，通過分別對各個(gè)天線升降液壓缸供一定量的液壓油，推動天線安裝平臺上升預(yù)定的高度實(shí)現(xiàn)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于低速運(yùn)動狀態(tài)，且其控制精度要求低于1%.因此，采用PID控制模型即可滿足控制要求。

3.2 最大輻射方向調(diào)整控制方法

電磁騷擾最大輻射方向的獲得，需要調(diào)整檢測天線的水平方向，以及調(diào)整檢測天線的傾斜角度，并需要根據(jù)EMC檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果進(jìn)行判斷。因此，通過反復(fù)執(zhí)行“檢測、調(diào)整天線角度-檢測電磁騷擾值”程序，來確定車輛的最大輻射方向。由于車輛的最大輻射方向及其電磁騷擾值均未知，且車輛的電磁騷擾值在一定區(qū)域內(nèi)是單峰函數(shù)，屬于一維搜索求最大值的問題。本系統(tǒng)根據(jù)EMC檢測系統(tǒng)測得的電磁騷擾值，采用二次插值的方法進(jìn)行控制。根據(jù)測得的電磁騷擾值，形成小-大-小區(qū)間，以該區(qū)間的三點(diǎn)電磁騷擾值構(gòu)造二次近似目標(biāo)函數(shù)，求得該近似目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)作為近似極值點(diǎn)。并以該近似極值點(diǎn)為一端點(diǎn)在附近構(gòu)建較窄的“小-大-小區(qū)間”，再次進(jìn)行二次插值計(jì)算，直至測得的相鄰電磁騷擾值，小于標(biāo)準(zhǔn)的檢測精度要求為止。取較大的電磁騷擾值作為最大輻射方向。該方法利用測得的電磁騷擾值構(gòu)造二次近似目標(biāo)函數(shù)，具有比試探法與牛頓法更好的搜索效果[4]。

4 結(jié)束語

本文在分析汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的控制要求的基礎(chǔ)上，對汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，并介紹該閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)方案。采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置，具有檢測天線位置調(diào)整精度較高、重復(fù)性較好的特點(diǎn)。能夠?yàn)槠嘐MC檢測的重復(fù)性與可追溯性提供分析數(shù)據(jù)，并為相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)積累，從而使汽車EMC檢測系統(tǒng)不僅能提供檢測服務(wù)，還能夠提供數(shù)據(jù)服務(wù)、信息服務(wù)與決策服務(wù)，更好地發(fā)揮電波暗室汽車EMC檢測系統(tǒng)的功效。

但是需要注意，由于電波暗室內(nèi)存在強(qiáng)電磁場，將造成強(qiáng)電磁騷擾。同時(shí)，汽車電磁兼容性檢測，必須滿足標(biāo)準(zhǔn)對電波暗室內(nèi)電磁環(huán)境的規(guī)定。因此，應(yīng)將液壓站與電氣部分盡可能安裝在電波暗室以外。并且，在進(jìn)行汽車EMC檢測時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)需要關(guān)閉檢測單元，以便減少對電波暗室內(nèi)電磁環(huán)境的影響。