汽車電磁兼容檢測天線調整裝置開環控制系統原理設計

謝　曲

（1.柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545006；2.柳州市產品質量檢驗所，廣西 柳州545000）

汽車控制裝置的抗電磁干擾性能缺陷，使汽車控制性能降低甚至失效，嚴重影響汽車的安全行駛；汽車行駛過程產生的電磁騷擾，將造成環境的電磁污染。隨著汽車電子化和電動汽車的發展，檢測汽車的電磁抗干擾性能及其行駛過程產生的電磁騷擾限值，已經成為世界各國的強制性法規要求。電波暗室內檢測時，需要調整天線相對地面和被測車輛的位置，目前需要停機后操作人員進入電波暗室內進行調整，存在效率低、操作人員容易受電磁輻射傷害等問題。為解決汽車電磁兼容（EMC）檢測天線位置調整過程存在的問題，作者開發了汽車EMC檢測天線調整裝置，并獲得了專利授權[1]。根據相關標準，在電波暗室內進行汽車EMC檢測對檢測環境的電磁性能有嚴格要求，由于開環控制系統在電波暗室內不需要傳感器與電子設備，具有不產生額外的電磁騷擾能夠保證電波暗室檢測環境要求的特點。因此開環控制系統應用于汽車EMC檢測天線調整裝置的控制，具有特殊的可行性，本文介紹汽車EMC檢測天線調整裝置的開環控制系統的電原理設計方案。

1　汽車EMC檢測天線調整裝置簡介

汽車EMC檢測天線調整裝置的總體結構如圖1所示[1]。

圖1　天線調整裝置設計案例總體結構圖

圖1所示天線調整裝置由調整執行機構、控制裝置組成，調整執行機構包括液壓站與距離調節液壓缸組、液壓缸座與擺動鉸接總成、天線升降液壓缸組。由于電波暗室造價昂貴，電波暗室的空間有限，為使天線調整裝置在電波暗室有限的空間內實現足夠的調整范圍，以便能夠檢測較寬范圍的車型，各液壓缸采用伸縮缸?？刂葡到y控制液壓驅動系統配合液壓缸，實現天線的位置、角度調整，滿足不同車型、不同檢測項目的檢測要求。

2　天線調整裝置的要求[2]

2.1　電波暗室電磁環境要求

進行電磁騷擾限值檢測時，電波暗室的環境噪聲電平應比標準要求的騷擾限值低6 dB以上。因此，要求汽車EMC檢測天線調整裝置（特別是其控制系統），盡可能降低工作過程產生的電磁噪聲。

2.2　汽車EMC檢測天線與被測汽車的相對位置、方向要求

汽車EMC檢測天線與被測汽車的距離、高度均需要滿足相關標準的規定。被檢測車型不同外型尺寸不同，在汽車EMC檢測轉臺上的位置不同；不同的檢測項目與檢測方法，對天線與被測汽車的相對位置要求不同；控制系統必須能夠根據需要，控制執行機構調整檢測天線的平面坐標、高度與角度。

（1）天線與被測汽車的相對位置要求

汽車EMC檢測天線與被測件平面位置關系如圖2所示。汽車EMC檢測時，汽車在轉臺的轉鼓上運行，根據不同車型，轉鼓的軸線在轉臺上可以移動；標準要求對汽車的兩個側面進行檢測，因此，完成被測汽車的一個側面檢測后，由轉臺帶動被測汽車旋轉180°進行另一側面的檢測。檢測時，檢測天線要正對被測件，以獲得最佳檢測效果。

圖2　汽車EMC檢測天線平面位置示意圖

因此要求控制系統能夠控制執行機構，在較大范圍內實現檢測天線位置的調整。

（2）天線與被測汽車的相對方向要求

進行抗擾度檢測時，波束窄的發射天線應始終指向被測件。采用10 m法進行電磁騷擾檢測時，天線參考點到車輛或裝置邊緣的金屬部分的水平距離為（10.0 m±0.2）m，天線中心離地板的高度為3.00 m±0.05 m，并要求天線處于最大敏感度方向。

控制系統必須能夠根據需要，控制執行機構調整檢測天線的空間角度（包括天線水平方向的角度與天線相對水平面的角度）。

3　汽車EMC檢測天線調整裝置控制系統的功能分析

根據以上電波暗室電磁環境要求，以及開環控制系統的特點，本文采用開環控制系統。由于不需要進行天線位置檢測，電波暗室內沒有電子裝置，能夠不產生額外的電磁干擾，可以更好地滿足電波暗室電磁環境的要求。由于沒有天線位置、角度檢測，因此只能依靠控制天線座的移動量、天線平臺升降高度與傾斜角度，來保證天線與被測汽車的相對位置、方向的要求。因此，對移動量的控制精度有較高要求。

本文以檢測車輛規格范圍為微型車到18 m大客車為例進行功能分析。

3.1　檢測天線平面位置的調整

通常18 m大客車為后置后驅動。如圖2所示，大客車發動機位于轉臺的最遠端1，檢測天線位于3；從大客車另一側面進行EMC檢測時，大客車發動機位于1*，檢測天線位于3*，即檢測天線需要從3調整到3*的位置。當檢測微型車時，被測車輛位于圖2中1.1、檢測天線位于3.1；檢測另一側時，檢測天線需要從3.1調整到3.1*的位置。進行微型車檢測時，微型車發動機位于轉臺的最近端1.1、檢測天線位于3.1；從微型車另一側面進行EMC檢測時，微型車發動機位于1.1*，檢測天線位于3.1*，即檢測天線需要從3.1調整到3.1*的位置。

根據不同檢測方法的要求，天線距被測件距離可能為10.0 m±0.2 m或者3.00 m±0.05 m、或者2 m、或者按照抗擾度信號波長與被測車輛長度之間的關系確定[2]。

為實現以上調整，開環控制系統需要定量控制液壓缸擺動鉸接裝置轉過的角度，定量控制左、右液壓缸伸出的長度。

3.2　檢測天線水平面法線方向的調整

根據被測車輛的位置，調整檢測天線水平方向角度，使接收天線處于最大接收信號的方向，或者使發射天線處于接地平面和被測件的極化方向。開環控制系統通過定量控制液壓缸擺動鉸接裝置轉過的角度，以及定量控制左、右液壓缸伸出的長度實現。

3.3　檢測天線高度與傾斜角度的調整

檢測天線的立面示意見圖1（b）。

根據不同車型的高度、布置，開環控制系統通過分別定量控制4個天線升降液壓缸的供油量，實現檢測天線高度與傾斜角度的調整。

4　汽車EMC檢測天線調整裝置開環控制系統原理設計

4.1　開環控制系統原理

汽車EMC檢測天線調整裝置開環控制系統原理如圖3所示。

圖3　開環控制系統原理框圖

輸入系統用于輸入被檢測汽車的車型參數、檢測項目、檢測方法等數據。

數據處理器根據輸入的相關數據，計算形成被檢測汽車與檢測天線的位置關系與檢測天線的坐標、角度值，并根據執行機構的結構參數計算各液壓缸的供油量、擺動鉸接液馬達的供油量（或者鉸接輪的轉動角度），進而形成控制指令，并向驅動控制器發送控制指令。如前所述，為使機構緊湊并實現大范圍調整，各液壓缸采用伸縮缸，由于伸縮缸各段缸徑不同，調整距離與需要的供油量關系不同，計算供油量時需要予以考慮。

驅動控制器根據控制指令，形成具有足夠驅動能力的信號驅動各執行機構。

執行機構包括調整天線平面坐標與水平方向角度的液壓缸組和擺動鉸接裝置，調整天線的高度與傾斜角度的天線升降液壓缸組。執行機構由液壓站及其驅動的距離調節液壓缸組、液壓缸座與擺動鉸接總成、天線升降液壓缸組等組成，各液壓缸采用定量供油結構；液壓缸擺動鉸接裝置可以采用定量液壓馬達，也可以是繩輪（或者帶輪）帶動的擺桿機構（該機構的擺桿為液壓缸），繩輪（或者帶輪）由安裝在暗室外的電機驅動，暗室外電機采用步進電機或者伺服電機。

4.2　控制系統軟件流程圖

汽車EMC檢測天線調整裝置開環控制系統控制流程如圖4所示。

圖4　開環控制系統軟件程序框圖

系統初始化進行檢測與位置調整的準備，并使天線從初始位置開始進行位置調整。

“輸入車型尺寸”模塊輸入被測車型的相關尺寸、檢測項目的相關數據?！坝嬎闾炀€坐標”與“計算各執行器調整值”模塊，根據輸入的數據與標準要求，軟件計算天線的坐標值與角度，并根據調整需要計算各液壓缸與擺動鉸接裝置液壓馬達的供油量，或者驅動擺桿機構繩輪（或者帶輪）步進電機的步數（或者伺服電機的轉動角度）。進而驅動執行機構，使天線位置滿足檢測要求。

對于電磁騷擾限值檢測，標準要求天線處于最大接收信號的方向，需要通過預掃描選取車輛的最大輻射方向，將反復執行“天線角度調整-檢測電磁騷擾限值”程序，不斷調整天線的方向，并對檢測到的電磁騷擾限值進行比較，以確定被測車輛的最大輻射方向，最終獲得檢測車輛的最大輻射方向的電磁騷擾限值。

軟件系統程序運行結束前，存儲本次檢測與調整的相關數據，并形成數據庫文件，以便后續相同檢測業務調用，并為后續的進一步研究提供數據積累。同時，使天線返回初始位置。

5　被測車輛的最大輻射方向的確定

為了確定被測車輛的最大輻射方向，需要反復執行“天線角度調整-檢測電磁騷擾限值”程序，即天線位置調整裝置需要與EMC檢測設備交替工作，是天線位置調整耗時最長的過程。為盡可能減少該程序的循環次數，按照優化設計一維搜索的區間消去法[3]，使檢測天線接收信號的方向逐步逼近被測車輛的最大輻射方向。本設計采用最常用的黃金分割法進行區間消去（見圖5）。圖中表示最大輻射方向靠近a端的情況，區間消去的下一次搜索區間為（a，α2）；若最大輻射方向靠近b端，則下一次搜索區間為（α1，b）；以此類推。取黃金分割法區間縮短率λ=0.618.下一次搜索區間端點按照式（1）、（2）計算。

圖5　黃金分割法區間消去示意圖

（1）搜索區間（a，b）與下一次搜索區間端點的確定：

按照經驗選取搜索區間，使搜索區間包含最大輻射方向。并在電磁騷擾限值檢測子程序開始時輸入搜索區間端點位置。無經驗參考的情況下，以被測車輛的最外輪轂作為搜索區間。

（2）最大輻射方向的確定屬于單峰函數確定最大值的問題。

（3）收斂精度的確定

以標準規定的檢測精度作為收斂精度，當兩次電磁騷擾檢測值的差小于等于檢測精度要求時，搜索結束，并取測得電磁騷擾的較大檢測值作為電磁騷擾限值判斷值。

6　結束語

本文在分析汽車EMC檢測天線調整裝置及其控制要求的基礎上，對汽車EMC檢測天線調整裝置開環控制系統進行功能分析，并介紹該裝置的開環控制系統的原理設計方案。該控制系統具有容易滿足電波暗室內汽車電磁兼容性的檢測環境要求的特點，并對各執行機構的定量控制，可以保證檢測天線的位置與方向精度。