基于虛擬暗室技術(shù)的電動車電磁輻射現(xiàn)場測試系統(tǒng)設(shè)計

蘇 航 ，汪語哲 ，趙環(huán)宇，賈商儒

(1.大連民族大學 a.機電工程學院,b.學報編輯部，遼寧 大連116605；2.楓葉國際學校，遼寧 大連 116600)

基于虛擬暗室技術(shù)的電動車電磁輻射現(xiàn)場測試系統(tǒng)設(shè)計

蘇 航1a，汪語哲1a，趙環(huán)宇1b，賈商儒2

(1.大連民族大學 a.機電工程學院,b.學報編輯部，遼寧 大連116605；2.楓葉國際學校，遼寧 大連 116600)

針對電動汽車電磁輻射測試問題，提出一種基于虛擬暗室技術(shù)的電動汽車電磁輻射干擾現(xiàn)場測試系統(tǒng)設(shè)計方案。首先，在分析電動汽車電磁輻射特征和虛擬暗室技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，采用多點同步方法檢測節(jié)點陣列，構(gòu)建適應電動汽車全工狀態(tài)的電磁輻射虛擬暗室現(xiàn)場測試系統(tǒng)；然后，對測試系統(tǒng)中的輻射信號和噪聲信號的盲源分離數(shù)學模型進行研究，建立基于迭代算法的多通道同步信號分離算法；最后，對系統(tǒng)進行仿真測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)π⌒旁氡取⒍嗤ǖ乐髟胄盘栠M行有效分離，可用于純電動汽車電磁輻射干擾的檢測與特性分析。

純電動汽車;虛擬暗室;電磁輻射;盲源分離；迭代算法

Abstract:A design scheme of field test system of electromagnetic radiation interference for electric vehicle based on virtual chamber technology was given. First, based on the analysis of the electromagnetic radiation characteristics of electric vehicles and the technical requirements of the virtual chamber, a node array which could synchronously detect multiple points was used to construct a virtual chamber for field test system of electromagnetic radiation, which commensurates with full working state of electric vehicle. Then mathematical model of blind source separation of radiation signal and noise signal in the test system was studied, and a separation algorithm based on iterative algorithm is given for synchronous signal of multiple channels. Finally, simulation verification of the system was carried out. The simulation results showed that the system could effectively separate the main signal from noise of multiple channels with low noise ratio, which could be used to detect and analyze the electromagnetic radiation interference of battery electric vehicle.

Keywords:battery electric vehicle; virtual chamber; electromagnetic radiation; blind source separation；iterative algorithm

由于電動汽車采用大量高電壓大功率電力電子開關(guān)器件,系統(tǒng)集成度和電磁敏感度較高的電子控制單元，以及各個電氣系統(tǒng)模塊之間的高速數(shù)據(jù)通信總線技術(shù)，使純電動車的電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)問題變得尤其復雜。該問題不僅直接影響純電動汽車內(nèi)部工作的穩(wěn)定性和安全性，而且也同時影響著周邊設(shè)備的工作狀態(tài)。解決不好可能會造成周圍電子產(chǎn)品和設(shè)備性能下降，故障頻發(fā)，甚至引起新的環(huán)境問題——電磁污染，導致人與動植物的器官、結(jié)構(gòu)變異或損壞[1]。

電動車的電磁干擾和一般電氣設(shè)備一樣，可分為傳導干擾和輻射干擾兩部分。傳導干擾主要由車輛各個電氣模塊的內(nèi)部器件性能、電路結(jié)構(gòu)以及模塊與模塊之間的信息傳遞線路等形成。輻射干擾主要是指模塊以及模塊間能量或信號傳遞線路等向空間產(chǎn)生的電磁散射。電動汽車傳導干擾影響著整個車輛的安全穩(wěn)定運行，而輻射干擾是評估電動汽車整體電磁兼容性能的重要指標。技術(shù)上，一般將電動汽車整車系統(tǒng)級別的電磁輻射的檢測和分析作為評估整車電磁干擾性能的重要依據(jù)。通過對車輛系統(tǒng)級別電磁干擾進行測試，獲得車輛的電磁兼容數(shù)據(jù)，評判車輛電磁兼容設(shè)計性能和達標程度。同時對數(shù)據(jù)深入分析，進一步評判、診斷車輛內(nèi)部電器模塊的電磁兼容性能，有針對性地改進和優(yōu)化車輛各電氣模塊的電磁兼容設(shè)計。

近幾年來，隨著人們對純電動汽車電磁干擾問題的重視，檢測技術(shù)也研究逐步深入，許多研究者將傳統(tǒng)的或新的電磁干擾檢測技術(shù)和方法應用到純電動汽車的電磁干擾測試中[2-4]，極大地推動了電動汽車電磁兼容設(shè)計理論研究的深入和技術(shù)的創(chuàng)新。本文針對電動汽車電磁輻射測試問題，對電動汽車電磁輻射干擾現(xiàn)場測試技術(shù)進行研究，基于虛擬暗室技術(shù)構(gòu)建一種采用多點同步數(shù)據(jù)采集陣列的電動汽車電磁輻射現(xiàn)場測試系統(tǒng)，并對測試系統(tǒng)中輻射信號和噪聲信號的盲源分離數(shù)學模型進行研究，建立了基于迭代算法的多通道同步信號盲源分離算法。

1 虛擬暗室技術(shù)

隨著科學技術(shù)的進步以及各類電力電子設(shè)備的使用，空間電磁環(huán)境變得越來越復雜，電氣設(shè)備的電磁干擾檢測越來越難。為減少空間電磁噪聲對設(shè)備電磁干擾檢測的影響，嚴格、標準的電磁兼容測試一般是在屏蔽室、電波暗室或橫電磁波室等環(huán)境下進行[5]。但暗室建設(shè)技術(shù)要求高、設(shè)施投資大，測試及使用成本也較高，因而暗室中的電磁干擾檢測一般只應用在設(shè)備定型檢測或電磁特性達標程度評估中。為達到便捷與低成本的目的，設(shè)計初期和測試階段的電磁干擾檢測往往不在技術(shù)完備的暗室中進行。此外，暗室也無法滿足較大型機電設(shè)備對測試空間的要求，特別是在考核設(shè)備的在線電磁狀態(tài)時，暗室法不能很好地反應設(shè)備的實際電磁兼容特性。

現(xiàn)場檢測是一種更能體現(xiàn)設(shè)備實際電磁干擾情況的測試方法，而現(xiàn)場測試的主要問題是如何消除環(huán)境噪聲的影響。傳統(tǒng)手段是采用差分法。由于電磁環(huán)境存在間歇性和波動性，故差分法的測試精度受環(huán)境影響較大，所以一般只能用于電磁環(huán)境相對穩(wěn)定的電磁干擾測試過程。

虛擬暗室測試技術(shù)是隨著現(xiàn)場電磁干擾測試技術(shù)的需求而產(chǎn)生的一種新的現(xiàn)場測試技術(shù)。它由Marino J和Michael A于2002年首先提出了一種基于雙通道實時同步的電磁干擾測試方法[6]。這種方法的基本思想是在現(xiàn)場電磁環(huán)境下，利用特殊測試設(shè)備同時對不同空間位置的電氣設(shè)備的近場、遠場輻射信號和環(huán)境噪聲進行檢測，而后再利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)對噪聲進行抑制或消除，從而實現(xiàn)對機電設(shè)備的實際電磁輻射信號進行分析與測試。虛擬暗室測試技術(shù)為機電設(shè)備的電磁干擾現(xiàn)場測試提供了一種可行的技術(shù)方案，近十幾年來發(fā)展迅速，已成為設(shè)備電磁兼容預測技術(shù)研究的重點問題。

虛擬暗室技術(shù)原理如圖1。

圖1 虛擬暗室測試技術(shù)原理

虛擬暗室技術(shù)的關(guān)鍵是噪聲抑制和信噪分離，特別是環(huán)境電磁信號突發(fā)、瞬態(tài)和非平衡狀態(tài)下，如何利用有效的信號處理技術(shù)進行盲源信號的提取是該方法的關(guān)鍵。2005年，美國SARA公司為美國空軍研究所開發(fā)了CASSPER虛擬暗室測試系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)采用了自適應干擾去除算法，但在環(huán)境噪聲復雜，特別是在含有與源輻射強度相當?shù)脑肼暦至繒r，該系統(tǒng)噪聲去除效果并不理想。2008年，該公司停止了系統(tǒng)的生產(chǎn)，但其提出的虛擬暗室技術(shù)，為廣大研究人員所接受，成為國內(nèi)外研究開發(fā)的重點。例如，成都電子科技大學、哈爾濱工程大學等單位近幾年在虛擬暗室技術(shù)的算法改進等方面做了大量的工作，先后提出了干擾對消、小波算法、時頻分離以及譜估計等盲源分離算法[8-12]，各算法在一定程度上都提高了算法的去噪精度，促進了該技術(shù)的發(fā)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計

電動汽車系統(tǒng)的電磁干擾主要是由電機驅(qū)動、能量管理、DC/DC雙向變流系統(tǒng)以及CAN總線信息傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射信號組成。隨著電機速度的變化，其輻射信號的幅值也有較大變化，而雙向DC/DC電路中大功率開關(guān)器件可產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖輻射，使得電動汽車正常工況的電磁輻射變得更加復雜。因此，本文構(gòu)建的測試系統(tǒng)擬采用多點同步檢測方式進行。在被測車輛附近，多方位進行設(shè)備輻射和背景噪聲的同步檢測，結(jié)合干擾去除、盲源分離算法，以期全面、準確地給出車輛輻射信號的空間分布圖譜。

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2為兩通道測試示意圖。實際系統(tǒng)可根據(jù)具體情況增加4、8等數(shù)量的通道，并在后續(xù)的去噪、盲源分離算法中加以設(shè)置。

系統(tǒng)的一組同步檢測天線同時接受干擾信號和背景噪聲。因為在測試時，并不能保證遠場天線接收的僅是背景噪聲，所以只做差分處理不能準確反應真實干擾量，又考慮近場和遠場信號的頻帶寬度，系統(tǒng)必須做噪聲去除處理。在系統(tǒng)設(shè)計時，我們采用了較成熟的自適應噪聲抵消系統(tǒng)。

自適應噪聲抵消系統(tǒng)是自適應濾波器原理的一種具體應用，它將自適應濾波器信號輸入端改為加噪信號原始輸入端，原輸入端改為噪聲干擾輸入端，由橫向濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)輸出將原始輸入中的噪聲干擾抵消，輸出有用信號。為保證輸出噪聲信號的功率平穩(wěn)，自適應調(diào)節(jié)參數(shù)控制干擾相位、幅值等參量，以達到有效抵消噪聲影響的目的。

自適應噪聲抵消原理如圖3。

圖3 自適應噪聲抵消原理圖

方法如下：

設(shè)：s、n0、y、n1穩(wěn)定，且均值為零，則輸出誤差

ε=s+n0-y。 (1)

方程兩邊先平方再取數(shù)學期望值，得

(2)

調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)，E[s2]最小時，

(3)

當參考輸入與原始輸入完全無關(guān)時，濾波器輸出y也將與原始輸入無關(guān)，則：

(4)

當濾波器所有系數(shù)為零，即E[y2]=0時，式(4)輸出功率最小，即自適應抵消系統(tǒng)沒有起到抑制噪聲的作用。因此自適應抵消系統(tǒng)要求參考輸入噪聲必須與原始輸入信號中的噪聲存在相關(guān)性，才能獲得有效的噪聲抵消。

當?shù)窒到y(tǒng)的輸出最小時，濾波器最佳的權(quán)值矢量Wopt，即最佳維納濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)：

(5)

式中，Φxx(z)是信號x的自功率譜，Φxd(z)是信號x與期望信號d之間的互功率譜。

3 基于迭代算法的同步多通道盲信號分離算法

電動汽車電磁干擾測試系統(tǒng)中，由于采用多點同步陣列測試系統(tǒng)，多個天線記錄設(shè)備的電磁輻射信號(主信號)混疊在背景噪聲信息之中。盲源分離是指通過觀測信號和源信號的統(tǒng)計特性分離出各個統(tǒng)計獨立的源信號，特別是在主信號與噪聲信號強度相當時這個過程尤其重要，這里的“盲”指源信號和信道傳輸參數(shù)未知的狀態(tài)。

多通道盲源分離多采用ICA(Independent Component Analysis)算法分離技術(shù)[12]，主要包括確定目標函數(shù)和優(yōu)化算法兩方面的工作。目標函數(shù)衡量信號的獨立性，取值最大或最小，信號趨于穩(wěn)定。優(yōu)化算法是使目標函數(shù)取得最大值或最小值的最優(yōu)方法，以便更有利于盲源分離。盲源分離原理如圖4。

圖4 盲源分離原理圖

本系統(tǒng)采用基于負熵的Fast ICA算法[13]，該算法適用于任何類型的數(shù)據(jù)，它通過一個非線性函數(shù)就可逐個估算出獨立分量，且算法簡單、計算量小，包括信號預處理和獨立分量提取兩個部分。

設(shè)x為去除均值后的信號，通過線性變換B，使z=Bx，則有：

Rz=E[zzT]=I。

(6)

式中，I為單位矩陣，B為白化矩陣，z為白化信號。則：

(7)

利用主分量計算可得：

(8)

式中，D和U分別表示去均值信號的相關(guān)矩陣Rx的特征值矩陣和對應的特征向量矩陣。

由上兩式得：

(9)

由于源信號統(tǒng)計獨立，即cov(s)=I，且UUT=UTU=I,則：

(10)

白化處理可以降低維數(shù)，減少ICA的計算量?；谪撿亟⒍攘啃盘柗歉咚剐阅繕撕瘮?shù)：

(11)

(12)

為提高算法收斂速度，采用牛頓迭代法對目標函數(shù)進行優(yōu)化[14]。牛頓迭代公式為

(13)

k為迭代次數(shù)。若

F(w)=JG(w)=E{xg(wTx)}-βw。

(14)

g(·)為G(·)的導數(shù)，則F(w)的一階導數(shù)

F′(w)=E{xg′(wTx)}-βI；

(15)

(16)

綜上所述，F(xiàn)ast ICA算法步驟如下：

(1)對觀測信號進行去均值和白化處理；

(2)利用隨機梯度恒模準則迭代出初始權(quán)值向量；

(3)利用初始權(quán)向量和M估計函數(shù)構(gòu)造目標函數(shù)；

(4)用牛頓迭代算法優(yōu)化目標函數(shù)，分離出第i路信號；

(5)若i小于n，對分離向量去相關(guān)，重復步驟(2)，直至分離出n路信號。

4 仿真驗證

利用LabVIEW虛擬儀器仿真平臺和MATLAB工具，在系統(tǒng)細節(jié)設(shè)計和算法研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際條件，對系統(tǒng)效能進行仿真驗證，仿真主要集中在兩個方面。

其一，仿真首先分析了主信干比與次信干比對主信號提取的影響情況。通過仿真系統(tǒng)搭建，對信干比為2 dB、次信干比分別為3、4、5 dB等情況進行了仿真分析,仿真曲線如圖5。曲線表明：低信干比情況下，次信干比越小主信號提取越好；信干比大時，次信干比不影響主信號提取。

圖5 主、次信干比對信號提取效果影響曲線圖

其二，分析驗證信源個數(shù)對提取效果的影響。在系統(tǒng)中，分別設(shè)置3、5、10路提取信號時，查看盲源分離算法的提取速度變化情況。提取信號與主信號的相似曲線如圖6。仿真曲線表明：信干比相同時，信號數(shù)目越多，功率越小，對主信號的影響越??；信干比很大時，干擾信號的總功率很小，對主信號的影響降低。

圖6 信源個數(shù)對提取效果影響曲線圖

5 結(jié) 語

本文針對電動車電磁干擾測試問題，提出了一種基于虛擬暗室技術(shù)的輻射干擾現(xiàn)場測試系統(tǒng)設(shè)計方案。設(shè)計了多點同步檢測陣列的檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，通過自適應干擾抵消、基于迭代算法的盲源分離算法分析，給出了該系統(tǒng)方案可行的盲源分離方法。最后通過LabVIEW對系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題進行了仿真驗證。本文提出的測試技術(shù)方案對電動汽車電磁干擾現(xiàn)場測試系統(tǒng)設(shè)計具有一定的工程應用價值。

需要指出的是，由于問題的復雜性，系統(tǒng)沒有對干擾定位[15]展開進一步的討論，這是下一步重點要解決的問題。

[1] 藍波,孫誼,張琦. 汽車電磁兼容研究發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 信息技術(shù), 2010(8):210-215.

[2] 金松濤,劉青松. 混合動力汽車電磁兼容技術(shù)研究[J]. 客車技術(shù)與研究,2010(2):45-47.

[3] 王博,羅禹貢,范晶晶. 基于控制分配的四輪獨立電驅(qū)動車輛驅(qū)動力分配算法[J]. 汽車工程, 2010(2): 128-132.

[4] 劉寶華,楊旭富,孔令豐,等. 基站天線遠場全身暴露人體內(nèi)SAR計算[J].通信技術(shù),2010 (8):228-230.

[5] 韓毓旺,侯亞義,都有為. 生物電磁特性與電磁生物學效應的概述及最新進展[J]. 自然雜志，2010，32(6):319-325.

[6] 劉培國,覃宇建,盧中昊,等.電磁兼容現(xiàn)場測量與分析技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2013.

[7] 張?zhí)m勇,劉勝,李冰.船舶電力推進系統(tǒng)電磁環(huán)境虛擬暗室測試技術(shù)研究[J].自動化技術(shù)與應用,2012,31(3):55-60.

[8] TESCHE F M,IANOZ M V,KARLSSON T.EMC Analysis Methods Computational Models [M].State of New Jersey：John Wiley & Sons,Inc,1997.

[9] ATEF E,VEYSEL D.The Finite-Difference Time-Domain Method for Electron magne -tics with MATLAB Simulations[M].Raleigh:SciTech Publishing,Inc,2006.

[10] 張厚,唐宏,尹應增.電磁兼容測試技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學出版社,2008.

[11] MICHAEL A, MARINO J,.System and method for measuring RF radiated emissions in the presence of strong ambient signals:US 6980611B1 [P]. 2005:12-27.

[12] 劉勝,張?zhí)m勇,李冰.一種新的自適應干擾對消技術(shù)研究及在電磁輻射測量中的應用[J].電子學報,2011,39(6):1394-1398.

[13] SVACINA J,DRINOVSKY J,VIDENKA R .Virtual anechoic room:an useful tool for EMI pre-compliance testing [C]. Proc.17th Int. Conf. Radioelectronica, 2012: 1-4.

[14] 楊醉,王暉,劉培國.一種改進的虛擬暗室測試系統(tǒng)[J].電波科學學報,2010,10(25):108-112.

[15] 湯輝,王殊.基于去噪盲分離的多個直擴信號參數(shù)估計[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011,33(8):1722-1726.

(責任編輯 王楠楠)

DesignofFieldTestSystemofElectromagneticRadiationforBatteryElectricVehiclesbasedonVirtualChamber

SUHang1a,WANGYu-zhe1a,ZHAOHuan-yu1b,JIAShang-ru2

(1a. School of Electromechanical Engineering; 1b. Journal of Editorial Board, Dalian Minzu University,Dalian Liaoning 116605, China; 2. Mapleleaf International School, Dalian Liaoning 116600, China)

U467.4

A

2017-03-27；

2017-04-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC2015020120)。

蘇航(1963-)，男，遼寧大連人，教授，博士，主要從事電力電子技術(shù)和電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研究。

2096-1383(2017)05-0445-06