工程机械仪表电磁兼容设计分析 本文关键词：工程机械，仪表，电磁兼容，分析，设计
工程机械仪表电磁兼容设计分析 本文简介：随着工程机械产品多样化、大型化、智能化的发展，工程机械产品上的各种电子设备、控制模块也越来越多，它们的功能也越来越强大、形式越来越复杂，而工程机械产品的作业工况比较恶劣，因此工程机械产品的电子设备的可靠性要求也越来越高。工程机械产品作业环境影响以及车载电子设备互相之间的干扰影响直接对电子设备的可靠性
工程机械仪表电磁兼容设计分析 本文内容：
随着工程机械产品多样化、大型化、智能化的发展，工程机械产品上的各种电子设备、控制模块也越来越多，它们的功能也越来越强大、形式越来越复杂，而工程机械产品的作业工况比较恶劣，因此工程机械产品的电子设备的可靠性要求也越来越高。工程机械产品作业环境影响以及车载电子设备互相之间的干扰影响直接对电子设备的可靠性造成较大的影响。这些对电子设备造成的干扰通常称之为“电磁干扰”。为了保证电子设备不受环境干扰，或者防止电子设备间互相干扰，各个国家或者一些行业组织制定了相关的法律、法规、标准。产品设计、制造要遵循相关法律法规或标准，以保证其符合法律法规或标准的要求，即认为产品具有了电磁兼容性（EMC，ElectromagneticCompatibility）。电磁兼容性已成为判定电子设备产品安全及可靠性的一个重要指标。这就要求在进行工程机械产品设计时，除了保证电子设备的功能、性能外，还要保证满足电磁兼容性的要求，即电磁兼容设计也是工程机械产品设计的一个重要环节。
1标准简介
根据工程机械产品电子设备的使用环境及工况特点，考虑到电子设备可能遭受到的各种电磁干扰，如通过电源线、测量和控制线或在环境中辐射的干扰等。按产品的应用范围，通常对工程机械电子设备进行的一些电磁兼容测试内容包括以下几方面：1）对外部的电磁干扰；2）抗沿电源线瞬态传导干扰；3）抗静电放电的电气干扰；4）抗窄带辐射电磁能量所产生的电气干扰，通过对这些项目的测试，来验证车载电子设备的电磁兼容性能。而对工程机械仪表来说，其电磁兼容性主要解决的是抵抗外部电磁干扰，保证自身的功能、性能不受外部干扰的影响。本文侧重介绍抗沿电源线瞬态传导干扰、抗静电放电的电气干扰、抗窄带辐射电磁能量所产生的电气干扰这三方面相关的一些标准：（1）抗沿电源线瞬态传导干扰。应用标准《GB/T21437.2-2008道路车辆—传导与耦合所引起的电骚扰—第二部分：沿电源线的电瞬态传导》的测试方法[1]。该标准就是根据车载电子设备的实际应用物理环境，规定了相应的测试方法及评价标准。通过模拟实际车载电子设备所处的电源环境极端状态，为车载电子设备的抗沿电源线瞬态传导干扰能力提供了相应的评价依据，具有很强的实践指导意义[2]。（2）抗静电放电的电气干扰。应用标准《GB/T19951-2005道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法》的测试方法[3]。该标准是针对车用的电子模块和实际车辆，评估静电放电导致的电子设备误动作和耐破坏性的静电放电抗干扰度试验的国际标准法规。（3）抗窄带辐射电磁能量所产生的电气干扰。应用标准GB/T33014道路车辆—窄带电磁辐射能量引起的电骚扰—零部件测试法。该标准为抗窄带电磁辐射源产生的电磁干扰零部件的测试方法，总包括11部分。其中常用到的有：1）GB/T33014.2-2016道路车辆电气/电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第2部分：电波暗室法[4]；2）GB/T33014.3-2016道路车辆电气/电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第3部分：横电磁波（TEM）小室法；3）GB/T33014.4-2016道路车辆电气/电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第4部分：大电流注入（BCI）法[5]；4）GB/T33014.5-2016道路车辆电气/电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第5部分：带状线法。在实际应用中，可惨照以上标准要求对仪表进行试验验证，以保证仪表能满足工程机械设备对仪表电磁兼容性的要求。
2电磁兼容设计
工程机械产品上有很多的的感性电子设备，如起动电机、雨刮电机、空调风机、喇叭、继电器等，这些设备在工作过程中会产生较大的干扰。同时，由于工程机械产品作业环境复杂、工况恶劣，设备电源环境存在较多的尖峰脉冲，对于仪表的干扰、冲击非常大，因此仪表的电磁兼容性显得尤其重要。为了保证仪表在满足其功能、性能要求的同时，也必须满足电磁兼容性的要求。如何使仪表满足电磁兼容性，这就是电磁兼容设计需要解决的问题。形成电磁干扰的三个要素：干扰源、干扰途径及受干扰对象，形成干扰必须同时满足这三个要素。电磁兼容设计就从这三个要素出发去研究如何解决电磁干扰。抑制干扰源、切断干扰途径、提高电子设备自身抗干扰能力就成为了解决电磁干扰基本措施。这些措施相比较，抑制干扰源是比较困难的，其投入的资源需求较大，且效果收效不显著。因此，解决仪表电磁干扰的原则就是加强自身抗干扰能力，对应的一般方法是进行导线屏蔽、电源滤波、信号隔离、线路板接地等各种方法，通常同时采用多种方法去进行设计。针对工程机械仪表在实际应用中通常出现的单片机及信号驱动芯片受脉冲冲击损坏或者受机器抛负载影响，导致仪表失效的故障。针对这些故障，特别提出了以下两种仪表电源滤波稳压处理及信号隔离的设计方法，解决仪表电磁兼容问题。（1）对于正脉冲，一般采用吸收法进行尖峰滤除或削峰，如可用高压旁路元件+低通滤波法吸收正脉冲的能量，一般高压旁路元件有压敏电阻、气体放电管、TVS稳压管等，但要注意在电路中增加电能消耗元件以保护TVS等高速放电器件；对于负脉冲，一般可采用增加电容容量方法处理，通过电容的蓄能抵抗负脉冲的干扰[5]。（2）对于电源跌落，一般可采用增加稳压电源的滤波电容，使系统在2～5s内仍能提供合适电压。（3）对于高能量的正波型，一般采用削峰法进行处理，如采用斩波电路等，防止高能量的干扰波窜人电路中。（4）采用多级滤波稳压电路，如图1所示，有效地解决仪表长期受到外部尖峰电压脉冲的冲击。（5）采用光电耦合对采集信号通道进行电气隔离，防止尖峰脉冲从信号线窜入仪表，对仪表的信号处理芯片造成冲击，如图2所示。
3试验方法及功能评价
仪表设计完成后需根据测试标准对仪表进行试验，试验过程中或试验结束后通过对仪表的功能完成情况检查来验证仪表的电磁兼容性是否符合设计要求。电磁兼容标准中，按电气、电子系统或者电子装置总成在试验过程中的功能失效模式严重程度，分为以下五类[4]：A类：装置或系统在施加骚扰期间和之后，能执行其预先设计的所有功能。B类：装置或系统在施加骚扰期间，能执行其预先设计的所有功能；然而，可以有一项或多项指标超出规定的偏差。所有功能在停止施加骚之后，自动恢复到正常工作范围内。存储功能应维持A类水平。C类：装置或系统在施加骚扰期间，不执行其预先设计的一项或多项功能，但在停止施加骚扰之后能自动恢复到正常操作状态。D类：装置或系统在施加骚扰期间，不执行其预先设计的一项或多项功能，直到停止施加骚扰之后，并通过简单的“操作或使用”复位动作，才能自动恢复到正常操作状态。E类：装置或系统在施加骚扰期间和之后，不执行其预先设计的一项或多项功能，且如果不修理或不替换装置或系统，则不能恢复其正常操作[1]。注：此处的“功能”系指电气/电子系统执行的功能。参照以上失效模式分类，将仪表在试验过程中的功能实现的实际情况与失效模式分类进行对比，可以判断仪表的电磁兼容性是否符合设计预定要求。（1）试验验证仪表在窄带电磁辐射能量引起的电骚扰下的抗干扰等级。根据标准《GB/T33014.2-2016道路车辆电气/电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第2部分：电波暗室法》进行试验[4]。抗干扰试验要求见表1。（2）试验验证仪表大电流注入干扰过程中，是否满足设计要求。根据《GB/T33014.4-2016道路车辆电气/电子部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法第4部分：大电流注入（BCI）法》进行试验[5]。抗干扰试验要求见表2。（3）试验验证仪表在沿电源线的电瞬态传导干扰下的抗干扰等级。根据标准《GB/T21437.2-2008道路车辆—传导与耦合所引起的电骚扰—第二部分：沿电源线的电瞬态传导》进行试验[1]。抗干扰试验要求见表3。（4）试验验证仪表在静电放电引起的电骚扰抗干扰等级。根据标准《GB/T19951-2005道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法》进行试验[3]。抗干扰试验要求要求见表4、表5。
4结束语
工程机械机器工作环境通常比较恶劣，工况较复杂，机器的电气设备所处的工作环境也就比较复杂，因此对电气设备的环境适应性的要求较高，如何提高设备的环境适应性，以提高设备的可靠性，成为工程机械机器电气系统需要解决的重要课题。本文从工程机械仪表的电磁兼容性设计及试验进行阐述，为工程机械机器电气设备的电磁兼容性解决方案及研究提供思路。
参考文献：
[1]国家发展与改革委员会.GB/T21437.2-2008道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导[S].北京：中国标准出版社，2008.
作者：黄辉 单位：广西柳工机械股份有限公司研究总院
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