黃 輝

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司研究總院，廣西 柳州545007）

0 前言

隨著工程機(jī)械產(chǎn)品多樣化、大型化、智能化的發(fā)展，工程機(jī)械產(chǎn)品上的各種電子設(shè)備、控制模塊也越來越多，它們的功能也越來越強(qiáng)大、形式越來越復(fù)雜，而工程機(jī)械產(chǎn)品的作業(yè)工況比較惡劣，因此工程機(jī)械產(chǎn)品的電子設(shè)備的可靠性要求也越來越高。工程機(jī)械產(chǎn)品作業(yè)環(huán)境影響以及車載電子設(shè)備互相之間的干擾影響直接對電子設(shè)備的可靠性造成較大的影響。

這些對電子設(shè)備造成的干擾通常稱之為“電磁干擾”。為了保證電子設(shè)備不受環(huán)境干擾，或者防止電子設(shè)備間互相干擾，各個國家或者一些行業(yè)組織制定了相關(guān)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造要遵循相關(guān)法律法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，以保證其符合法律法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)的要求，即認(rèn)為產(chǎn)品具有了電磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）。電磁兼容性已成為判定電子設(shè)備產(chǎn)品安全及可靠性的一個重要指標(biāo)。這就要求在進(jìn)行工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，除了保證電子設(shè)備的功能、性能外，還要保證滿足電磁兼容性的要求，即電磁兼容設(shè)計(jì)也是工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。

1 標(biāo)準(zhǔn)簡介

根據(jù)工程機(jī)械產(chǎn)品電子設(shè)備的使用環(huán)境及工況特點(diǎn)，考慮到電子設(shè)備可能遭受到的各種電磁干擾，如通過電源線、測量和控制線或在環(huán)境中輻射的干擾等。按產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，通常對工程機(jī)械電子設(shè)備進(jìn)行的一些電磁兼容測試內(nèi)容包括以下幾方面：1）對外部的電磁干擾；2）抗沿電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾；3）抗靜電放電的電氣干擾；4）抗窄帶輻射電磁能量所產(chǎn)生的電氣干擾，通過對這些項(xiàng)目的測試，來驗(yàn)證車載電子設(shè)備的電磁兼容性能。

而對工程機(jī)械儀表來說，其電磁兼容性主要解決的是抵抗外部電磁干擾，保證自身的功能、性能不受外部干擾的影響。本文側(cè)重介紹抗沿電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾、抗靜電放電的電氣干擾、抗窄帶輻射電磁能量所產(chǎn)生的電氣干擾這三方面相關(guān)的一些標(biāo)準(zhǔn)：

（1）抗沿電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21437.2-2008道路車輛—傳導(dǎo)與耦合所引起的電騷擾—第二部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》的測試方法[1]。該標(biāo)準(zhǔn)就是根據(jù)車載電子設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用物理環(huán)境，規(guī)定了相應(yīng)的測試方法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過模擬實(shí)際車載電子設(shè)備所處的電源環(huán)境極端狀態(tài)，為車載電子設(shè)備的抗沿電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾能力提供了相應(yīng)的評價(jià)依據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義[2]。

（2）抗靜電放電的電氣干擾。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19951-2005道路車輛靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗(yàn)方法》的測試方法[3]。該標(biāo)準(zhǔn)是針對車用的電子模塊和實(shí)際車輛，評估靜電放電導(dǎo)致的電子設(shè)備誤動作和耐破壞性的靜電放電抗干擾度試驗(yàn)的國際標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。

（3）抗窄帶輻射電磁能量所產(chǎn)生的電氣干擾。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33014道路車輛—窄帶電磁輻射能量引起的電騷擾—零部件測試法。該標(biāo)準(zhǔn)為抗窄帶電磁輻射源產(chǎn)生的電磁干擾零部件的測試方法，總包括11部分。其中常用到的有：1）GB/T 33014.2-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法 第2部分：電波暗室法[4]；2）GB/T 33014.3-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法 第3部分：橫電磁波（TEM） 小室法；3）GB/T 33014.4-2016道路車輛 電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法第 4 部分：大電流注入（BCI）法[5]；4）GB/T 33014.5-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法 第5部分：帶狀線法。

在實(shí)際應(yīng)用中，可慘照以上標(biāo)準(zhǔn)要求對儀表進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以保證儀表能滿足工程機(jī)械設(shè)備對儀表電磁兼容性的要求。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)

工程機(jī)械產(chǎn)品上有很多的的感性電子設(shè)備，如起動電機(jī)、雨刮電機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)、喇叭、繼電器等，這些設(shè)備在工作過程中會產(chǎn)生較大的干擾。同時(shí)，由于工程機(jī)械產(chǎn)品作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣，設(shè)備電源環(huán)境存在較多的尖峰脈沖，對于儀表的干擾、沖擊非常大，因此儀表的電磁兼容性顯得尤其重要。

為了保證儀表在滿足其功能、性能要求的同時(shí)，也必須滿足電磁兼容性的要求。如何使儀表滿足電磁兼容性，這就是電磁兼容設(shè)計(jì)需要解決的問題。

形成電磁干擾的三個要素：干擾源、干擾途徑及受干擾對象，形成干擾必須同時(shí)滿足這三個要素。電磁兼容設(shè)計(jì)就從這三個要素出發(fā)去研究如何解決電磁干擾。抑制干擾源、切斷干擾途徑、提高電子設(shè)備自身抗干擾能力就成為了解決電磁干擾基本措施。這些措施相比較，抑制干擾源是比較困難的，其投入的資源需求較大，且效果收效不顯著。因此，解決儀表電磁干擾的原則就是加強(qiáng)自身抗干擾能力，對應(yīng)的一般方法是進(jìn)行導(dǎo)線屏蔽、電源濾波、信號隔離、線路板接地等各種方法，通常同時(shí)采用多種方法去進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對工程機(jī)械儀表在實(shí)際應(yīng)用中通常出現(xiàn)的單片機(jī)及信號驅(qū)動芯片受脈沖沖擊損壞或者受機(jī)器拋負(fù)載影響，導(dǎo)致儀表失效的故障。針對這些故障，特別提出了以下兩種儀表電源濾波穩(wěn)壓處理及信號隔離的設(shè)計(jì)方法，解決儀表電磁兼容問題。

（1）對于正脈沖，一般采用吸收法進(jìn)行尖峰濾除或削峰，如可用高壓旁路元件+低通濾波法吸收正脈沖的能量，一般高壓旁路元件有壓敏電阻、氣體放電管、TVS穩(wěn)壓管等，但要注意在電路中增加電能消耗元件以保護(hù)TVS等高速放電器件；對于負(fù)脈沖，一般可采用增加電容容量方法處理，通過電容的蓄能抵抗負(fù)脈沖的干擾[5]。

（2）對于電源跌落，一般可采用增加穩(wěn)壓電源的濾波電容，使系統(tǒng)在2～5 s內(nèi)仍能提供合適電壓。

（3）對于高能量的正波型，一般采用削峰法進(jìn)行處理，如采用斬波電路等，防止高能量的干擾波竄人電路中。

（4）采用多級濾波穩(wěn)壓電路，如圖1所示，有效地解決儀表長期受到外部尖峰電壓脈沖的沖擊。

圖1 多級穩(wěn)壓電路原理圖

（5）采用光電耦合對采集信號通道進(jìn)行電氣隔離，防止尖峰脈沖從信號線竄入儀表，對儀表的信號處理芯片造成沖擊，如圖2所示。

圖2 光電耦合電路示意圖

3 試驗(yàn)方法及功能評價(jià)

儀表設(shè)計(jì)完成后需根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)對儀表進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中或試驗(yàn)結(jié)束后通過對儀表的功能完成情況檢查來驗(yàn)證儀表的電磁兼容性是否符合設(shè)計(jì)要求。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中，按電氣、電子系統(tǒng)或者電子裝置總成在試驗(yàn)過程中的功能失效模式嚴(yán)重程度，分為以下五類[4]：

A類：裝置或系統(tǒng)在施加騷擾期間和之后，能執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的所有功能。

B類：裝置或系統(tǒng)在施加騷擾期間，能執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的所有功能；然而，可以有一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)超出規(guī)定的偏差。所有功能在停止施加騷之后，自動恢復(fù)到正常工作范圍內(nèi)。存儲功能應(yīng)維持A類水平。

C類：裝置或系統(tǒng)在施加騷擾期間，不執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)功能，但在停止施加騷擾之后能自動恢復(fù)到正常操作狀態(tài)。

D類：裝置或系統(tǒng)在施加騷擾期間，不執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)功能，直到停止施加騷擾之后，并通過簡單的“操作或使用”復(fù)位動作，才能自動恢復(fù)到正常操作狀態(tài)。

E類：裝置或系統(tǒng)在施加騷擾期間和之后，不執(zhí)行其預(yù)先設(shè)計(jì)的一項(xiàng)或多項(xiàng)功能，且如果不修理或不替換裝置或系統(tǒng)，則不能恢復(fù)其正常操作[1]。

注：此處的“功能”系指電氣/電子系統(tǒng)執(zhí)行的功能。

參照以上失效模式分類，將儀表在試驗(yàn)過程中的功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)際情況與失效模式分類進(jìn)行對比，可以判斷儀表的電磁兼容性是否符合設(shè)計(jì)預(yù)定要求。

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證儀表在窄帶電磁輻射能量引起的電騷擾下的抗干擾等級。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 33014.2-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法 第2部分：電波暗室法》進(jìn)行試驗(yàn)[4]?？垢蓴_試驗(yàn)要求見表1。

表1 窄帶電磁輻射能量引起的電騷擾下的抗干擾試驗(yàn)要求

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證儀表大電流注入干擾過程中，是否滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)《GB/T 33014.4-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法第4部分：大電流注入（BCI）法》進(jìn)行試驗(yàn)[5]?？垢蓴_試驗(yàn)要求見表2。

表2 大電流注入抗干擾試驗(yàn)要求

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證儀表在沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾下的抗干擾等級。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21437.2-2008道路車輛—傳導(dǎo)與耦合所引起的電騷擾—第二部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》進(jìn)行試驗(yàn)[1]?？垢蓴_試驗(yàn)要求見表3。

表3 沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)抗干擾試驗(yàn)要求

（4）試驗(yàn)驗(yàn)證儀表在靜電放電引起的電騷擾抗干擾等級。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19951-2005道路車輛靜電放電產(chǎn)生的電騷擾試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)[3]。抗干擾試驗(yàn)要求要求見表4、表5。

表4 靜電放電引起的電騷擾抗干擾試驗(yàn)要求

表5 靜電放電引起的電騷擾抗干擾試驗(yàn)要求

4 結(jié)束語

工程機(jī)械機(jī)器工作環(huán)境通常比較惡劣，工況較復(fù)雜，機(jī)器的電氣設(shè)備所處的工作環(huán)境也就比較復(fù)雜，因此對電氣設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性的要求較高，如何提高設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，以提高設(shè)備的可靠性，成為工程機(jī)械機(jī)器電氣系統(tǒng)需要解決的重要課題。本文從工程機(jī)械儀表的電磁兼容性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)進(jìn)行闡述，為工程機(jī)械機(jī)器電氣設(shè)備的電磁兼容性解決方案及研究提供思路。