汽車測試技術(shù)論文(2)
汽車測試技術(shù)論文
汽車測試技術(shù)論文篇二
汽車發(fā)電機電磁干擾形成機理及測試技術(shù)研究
摘 要：發(fā)電機是汽車電源系統(tǒng)的重要組成部分，其電磁兼容性能對車內(nèi)電器設(shè)備的正常工作狀態(tài)有著重要影響。在對汽車發(fā)電機電磁干擾(EMI)形成機理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)之上，通過搭建試驗臺架，對其EMI特性進(jìn)行了測試和分析。本文對于汽車發(fā)電機的電磁兼容性(EMC)研究具有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞：汽車;交流發(fā)電機;電磁干擾(EMI);電磁兼容性;測試技術(shù)
中圖分類號：TM33文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.002
Research of the Electromagnetic Interference Mechanism and Testing Methods for Automotive Generator
Cai Heng1,2, Dong Xiaomin1, Li Xu2,Wu Cunxue2,Zhai Jianpeng2,Chen Lidong2,Guo Dijun2
(1.College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044，China;
2.China Chang'an Automotive Engineering Institute, Chongqing 401120，China)
Abstract：The generator is one of the most important parts in automotive power system and it is a potential source of electromagnetic interference (EMI) to automotive electronic sub-assemblies. Based on the research of the mechanism that the automotive generator gives rise to EMI，the test bench was established and EMI characteristics were tested and analyzed. The work reported in this paper is useful for the research on electromagnetic compatibility (EMC) of automotive AC generators.
Key words：automobile;AC generator;EMI;EMC;testing method
發(fā)電機是汽車的主要電源，其功用是在汽車正常運轉(zhuǎn)時(怠速以上)，向車內(nèi)所有用電設(shè)備(起動機除外)供電，同時向蓄電池充電。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的汽車發(fā)電機的結(jié)構(gòu)基本相同，都是由三相同步交流發(fā)電機和硅整流器兩大部分組成。
首先，由于發(fā)電機定子繞組中所感應(yīng)出的三相交流電，要靠硅二極管組成的整流器改變?yōu)橹绷麟姟Ｓ捎诎l(fā)電機整流器是非線性設(shè)備，工作時會在交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生大量的干擾，而直流側(cè)的EMI可通過公用電源線影響到整車電器系統(tǒng)的正常工作。
其次，由于交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及電氣負(fù)載都在很大范圍內(nèi)變化，為防止發(fā)電機的輸出電壓發(fā)生較大變化，交流發(fā)電機都配有電壓調(diào)節(jié)器。而采用斷電式的電壓調(diào)節(jié)器會在磁場線圈中引起頻率和幅值不等的自感電動勢，形成EMI。
另外，發(fā)電機因電纜腐蝕、接觸不良或發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，有意或無意地斷開與蓄電池的連接，會形成發(fā)電機的拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象。此時，發(fā)電機輸出電壓會瞬間上升，形成的脈沖電壓有可能導(dǎo)致整車電器設(shè)備特別是電控系統(tǒng)ECU的誤動作[1]。
發(fā)電機的EMI對車內(nèi)敏感電器設(shè)備/系統(tǒng)的正常工作和整車是否能通過EMC法規(guī)都具有重要影響。因此，對汽車發(fā)電機EMI形成機理和測試技術(shù)等進(jìn)行研究，對于汽車發(fā)電機EMC技術(shù)的研究，以及對于整車EMC性能的提升都具有重要意義。
1 EMI形成機理分析
1.1 整流系統(tǒng)EMI機理
汽車用交流發(fā)電機整流器為硅二極管組成的三相全波整流電路，通過硅二極管的自然換向達(dá)到整流的目的。
圖1中給出了整流器等效電路。在汽車用交流發(fā)電機中，由于轉(zhuǎn)子磁極呈鳥嘴形，磁場的分布近似正弦規(guī)律。由于三相繞組在定子槽中的對稱繞制方式，所以在三相繞組中產(chǎn)生頻率相同、幅度相等及相位相差120o電角度的正弦電動勢、和。其表達(dá)式為
式中：，為相電壓有效值;為電源角頻率。
圖2給出了某汽車發(fā)電機的實測電壓輸出波形。把導(dǎo)通階段的電壓記為，換相階段的電壓記為，則發(fā)電機輸出電壓波形的頻率為。設(shè)換相起始角為(對于用硅二級管整流的發(fā)電機 即為自然換相角，)，由于發(fā)電機漏抗的存在，電流不能突變，電流換相需要一段時間，叫換相重疊角，用表示[2-3]。
則在整流器的一個輸出電壓周期內(nèi)，其輸出電壓可計算如下[4-6]：
在導(dǎo)通階段()，圖1中二極管D5和D4導(dǎo)通，整流器直流側(cè)輸出電壓為：
在換相階段()，二極管D1、D5和D4都導(dǎo)通，相當(dāng)于A、C兩相間短路，短路電壓為A、C兩相間電壓的均值，即為。則此時整流器直流側(cè)的輸出電壓為
此后，電壓以為周期重復(fù)。二極管D1、D5換相結(jié)束后，D1和D4導(dǎo)通，D5截止，此時整流器輸出電壓為
(4)
在整流器輸出電壓的一個周期內(nèi)，電壓在和時各發(fā)生一次跳變。從(2)、(3)和(4)式中可計算出跳變電壓和
由以上分析和計算可以看出，發(fā)電機整流器在直流側(cè)所形成的EMI主要是由于換相過程中硅二極管的開關(guān)工作方式所引起的電壓跳變所產(chǎn)生。
1.2 電壓調(diào)節(jié)器EMI機理
發(fā)電機具有最大輸出電流的自我限值能力。但是，必須配有電壓調(diào)節(jié)器以保證當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)載發(fā)生較大變化時，輸出電壓的相對穩(wěn)定。
根據(jù)交流發(fā)電機工作原理，三相繞組產(chǎn)生的相電動勢的有效值為
式中：(交流發(fā)電機采用整距集中繞組);N為每相繞組的匝數(shù);為每極磁通;為感應(yīng)電動勢的頻率，其中為磁極對數(shù)，為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，r/min。
所以，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加時，不管是觸點式、晶體管式或者集成電路電壓調(diào)節(jié)器，都是通過控制勵磁電流的通斷來減小磁通，從而減小，以達(dá)到使發(fā)電機的輸出電壓保持相對穩(wěn)定。在切斷勵磁電流的瞬間，形成的自感電動勢自感電動勢大多以高幅值的負(fù)向脈沖出現(xiàn)，實測峰值可達(dá)數(shù)百伏。此高幅值的瞬變脈沖一方面在觸點式電壓調(diào)節(jié)器的觸點間形成火花放電，或者使電子式電壓調(diào)節(jié)器的三極管擊穿(如圖3中的三極管VT2)。另一方面，由于瞬變脈沖幅值高，時間非常短，在相連電路和導(dǎo)線的天線作用下，形成較強的寬頻輻射干擾。
觸點式電壓調(diào)節(jié)器由于電壓調(diào)節(jié)精度不高、觸點間火花放電嚴(yán)重等問題，目前已基本淘汰。為提升電子式電壓調(diào)節(jié)器的EMC，可增加續(xù)流二極管VD，和濾波電容C。當(dāng)勵磁電流由導(dǎo)通轉(zhuǎn)化為截止時(F端為+,B端為-)，勵磁線圈上的瞬變電壓通過VD形成放電回路，有效地防止了瞬變電壓對三極管VT2的擊穿損壞，并配合濾波電容C的作用，大幅降低電壓調(diào)節(jié)過程中的EMI發(fā)射，如圖3所示。
1.3 發(fā)電機拋負(fù)載EMI機理
圖4給出了發(fā)電機因電纜腐蝕、接觸不良或發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，有意或無意地斷開與蓄電池的連接(或斷開與其它用電設(shè)備的連接)，即發(fā)電機拋負(fù)載時的電路圖。
拋負(fù)載發(fā)生時，圖1中的等效負(fù)載阻抗，導(dǎo)致發(fā)電機直流側(cè)輸出電流，由于發(fā)電機漏感的存在，電流不能突變，此時，在發(fā)電機定子線圈中會形成瞬變的自感電動勢。自感電動勢的極性與發(fā)電機輸出電壓相同，以阻礙輸出電流的減小，從而表現(xiàn)為輸出電壓的升高(圖4中DUT上的電壓升高)。
2 測試和分析
2.1 試驗臺架搭建和布置
汽車發(fā)動機啟動后(怠速以上)，發(fā)電機對車上用電設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行供電。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化、電氣負(fù)載變化以及車內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致在整車上不易準(zhǔn)確測試出發(fā)電機的EMI特性。而一般采用電動機對發(fā)電機進(jìn)行拖動的測試臺架，由于電動機在運轉(zhuǎn)過程中本身要形成較強的EMI，因此，必須進(jìn)行相應(yīng)的屏蔽處理，實施起來較為困難?；谏鲜鲈颍@里設(shè)計出用氣動馬達(dá)對發(fā)電機進(jìn)行拖動和調(diào)速的EMI測試臺架，如圖5所示。由于氣動馬達(dá)在工作過程中不會形成EMI，由此達(dá)到對發(fā)電機的EMC進(jìn)行較為準(zhǔn)確測試的目的。
為使試驗具有較好的重復(fù)性和可比較性，在進(jìn)行傳導(dǎo)和輻射EMI測試時，測試布置嚴(yán)格按照《GB18655―2002用于保護(hù)車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)[7]，第3部分：車輛零部件和模塊的測量要求進(jìn)行。
蓄電池和人工電源網(wǎng)絡(luò)LISN的一端相連，并通過指示儀表與發(fā)電機的勵磁端相連，LISN的另一端與發(fā)電機負(fù)載輸出端相連接。發(fā)電機的負(fù)載通過蓄電池和一組100 W功率的汽車大燈并聯(lián)實現(xiàn)。測試時，接通氣動馬達(dá)的氣源，此時氣動馬達(dá)在氣源的壓力作用下開始轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)氣源的氣體強度，達(dá)到調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速的目的，并使發(fā)電機處于符合要求的發(fā)電狀態(tài)。
2.2 傳導(dǎo)和輻射EMI測試
測試用接收機為R&S公司ESCI，可測頻率范圍為9 kHz～3 GHz，LISN、測試天線和相應(yīng)測試設(shè)備均滿足CISPR16-1-1標(biāo)準(zhǔn)要求，測試在重慶車輛檢測研究院有限公司EMC實驗室進(jìn)行。表1中給出了接收機的參數(shù)設(shè)置。
圖6給出了某型車用發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在2 500 r/min左右時，用電壓法在人工電源網(wǎng)絡(luò)50 Ω阻抗上測試得到的發(fā)電機整流器直流輸出側(cè)的傳導(dǎo)EMI在0.15～108 MHz頻率范圍內(nèi)的峰值測試結(jié)果。紅色限值曲線為《GB18655―2002 用于保護(hù)車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)，第3部分：車輛零部件和模塊測量中電源輸入端傳導(dǎo)干擾的準(zhǔn)峰值5級限值。
圖7給出了用電流探頭法測試得到的發(fā)電機勵磁線上的傳導(dǎo)EMI在0.15～108 MHz頻率范圍內(nèi)的峰值測試結(jié)果(部分頻率點同時給出了準(zhǔn)峰值測試結(jié)果)。紅色限值曲線為《GB18655―2002用于保護(hù)車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)，第3部分：車輛零部件和模塊測量中控制/信號線傳導(dǎo)干擾的準(zhǔn)峰值5級限值。
圖8給出了發(fā)電機輻射電磁騷擾在0.15～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)的垂直極化的峰值干擾測試結(jié)果(部分頻率點同時給出了準(zhǔn)峰值測試結(jié)果)。紅色限值曲線為《GB18655―2002 用于保護(hù)車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)，第3部分：車輛零部件和模塊測量中的輻射電磁干擾的準(zhǔn)峰值5級限值。
從圖6、圖7和圖8中可見，發(fā)電機的傳導(dǎo)和輻射EMI完全滿足《GB18655―2002用于保護(hù)車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)，第3部分：車輛零部件和模塊測量中的相關(guān)發(fā)射的5級限值要求，體現(xiàn)了良好的EMC。
2.3 發(fā)電機拋負(fù)載EMI測試
發(fā)電機拋負(fù)載時形成的瞬變電壓脈沖，可參考《GB/T 21437.2―2008 由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行測試。圖9(a)給出了發(fā)電機拋蓄電池負(fù)載時，在發(fā)電機直流輸出側(cè)用示波器測試獲得的瞬變電壓脈沖。圖9(b)同時給出了發(fā)電機拋負(fù)載時形成瞬變電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形，波形的具體參數(shù)參見《GB/T 21437.2―2008 由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾第2部分：沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》標(biāo)準(zhǔn)[8]。
可見，實測發(fā)電機拋負(fù)載干擾波形與標(biāo)準(zhǔn)拋負(fù)載波形基本一致，實測脈沖幅值一般比標(biāo)準(zhǔn)脈沖幅值偏小。測試表明，發(fā)電機拋負(fù)載的幅度取決于斷開負(fù)載連接時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的勵磁場強的大小，拋負(fù)載脈沖寬度主要取決于勵磁電路的時間常數(shù)和脈沖幅度。為減小拋負(fù)載時形成的瞬變干擾，大多數(shù)新型交流發(fā)電機內(nèi)部增加了限幅二極管，未增加限幅二極管的拋負(fù)載瞬態(tài)脈沖的峰值可達(dá)65～87 V之間，對車載電器設(shè)備特別是電控系統(tǒng)ECU的正常工作有著重要影響。
3 結(jié)論
汽車交流發(fā)電機是組成汽車電源系統(tǒng)的重要部件，它的EMC對車內(nèi)電器設(shè)備的正常工作狀態(tài)有著非常重要的影響。本文對汽車交流發(fā)電機EMI形成機理和測試技術(shù)進(jìn)行了研究。主要研究工作和得到的結(jié)論如下：
(1)交流發(fā)電機整流器形成EMI的原因是整流器在換相過程中，由于發(fā)電機漏感的存在，在換向重疊角期間，硅二極管的開關(guān)工作方式所引起的電壓跳變所致。
(2)發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)過程中，勵磁電流不斷地導(dǎo)通和截止，在勵磁電感線圈上出現(xiàn)幅值極高的瞬變電壓，在相連電路和導(dǎo)線的天線作用下，形成較強的寬頻輻射干擾，可采用增加續(xù)流二極管和濾波電容的方法進(jìn)行干擾抑制。
(3)發(fā)電機拋負(fù)載時EMI脈沖實測波形與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定波形基本一致，實測脈沖幅值一般比標(biāo)準(zhǔn)脈沖幅值偏小。拋負(fù)載的脈沖幅度和寬度，取決于斷開負(fù)載連接時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機勵磁場強的大小和勵磁電路的時間常數(shù)。
(4)基于氣動馬達(dá)對汽車發(fā)電機進(jìn)行拖動和調(diào)速的EMC測試臺架，能對發(fā)電機的EMI特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測試。
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