汽車電磁兼容檢測天線調整裝置閉環控制系統原理設計

林 斌

（柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州545006）

隨著人們對汽車性能要求越來越高，電子技術得到廣泛應用，汽車電磁兼容性（EMC）越來越重要，控制裝置抗干擾能力不足，導致汽車操控性能降低，成為汽車行駛安全事故的隱患，損害人們的生命與財產安全；另一方面，汽車運行產生的電磁騷擾，將造成環境的電磁污染。因此，我國與世界各國均制訂法規，強制性要求檢測汽車的電磁兼容性能。汽車電磁兼容性能檢測通常采用在電波暗室內進行檢測的方式，檢測時需要調整天線的位置，傳統的方法是停機后操作人員進入暗室調整，導致檢測勞動強度大、容易受電磁污染、效率低等問題。為解決傳統方法存在的問題，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]，該調整裝置可通過開環控制或者閉環控制，閉環控制具有重復性好、檢測精度高等優點，本文介紹該裝置的閉環控制系統的原理設計。

1 汽車E M C檢測天線調整裝置簡介

1.1 汽車E M C檢測簡介

汽車EMC檢測，包括汽車電磁抗干擾性能（EMS，電磁抗擾度）檢測，以及汽車電磁騷擾（EMI）限值檢測。EMS檢測通過對汽車及其零部件（以下稱被測件）施加不同頻率段、一定強度的試驗信號，使其性能降低達到規定的值，或者試驗信號達到規定的電平，以判斷被測件的電磁抗干擾性能是否符合要求。電磁騷擾包括窄帶騷擾和寬帶騷擾，EMI檢測的場地可以是戶外試驗場地，也可以在電波暗室（裝有吸波材料的屏蔽室）中進行。在電波暗室中檢測具有環境可控、不受外界條件影響、重復性好等優點，因此被汽車行業廣泛應用[2]。

汽車EMC檢測天線位置（見圖1）需要滿足相關國家標準與國際標準規定[2]：

（1）電磁抗擾度測量

①為了獲得均勻的試驗場，應滿足如下規定：

當被測件尺寸小于抗擾度信號波長時，天線與被測件的間距L2按照式（1）確定：

式中：L2為天線與被測件的間距；Ls為抗擾度信號波長

當被測件各方向尺寸大于抗擾度信號波長時，天線與被測件的間距L2按照式（2）確定：

式中：L2為天線與被測件的間距；Ls為抗擾度信號波長；Lm為被測件最大尺寸（m）.

②波束窄的發射天線應始終指向被測件。

③按照ISO11451的測試要求，汽車抗擾度試驗的信號頻率為10 kHz～6 GHz，場強需達到200 V/m.

（2）電磁騷擾限值檢測

①優先選用10 m法（天線參考點到被測件邊緣金屬部分的水平距離為10.0 m±0.2 m，天線中心高度為3.00 m±0.05 m）；滿足規定的條件時，也可以選用3 m法（天線參考點到被測件邊緣金屬部分的水平距離為3.0m±0.05 m，天線中心高度為 1.80 m±0.05 m）。被測件為電動車輛時，棒天線置于地面上，距離車輛最近部分為3.0 m±0.1 m；環天線中心置于地面以上1 m±0.05 m，距離車輛最近部分為3.0 m±0.2 m，環天線位于磁場的最大敏感度方向，電場方向平行于環平面。

②天線應處于最大接收信號的方向，汽車在規定的穩定車速運行，測量其最大發射。

③同時裝有電機和內燃機驅動，或者裝有多個發動機時，應分別將其依次定位在天線正前方進行測試。

圖1 汽車E M C檢測天線位置示意圖

1.2 汽車E M C檢測天線調整裝置總體結構

設計的一種汽車EMC檢測天線調整裝置的總體結構如圖2所示。圖中暗室墻體1、安裝板2與電磁波吸附層3屬于電波暗室部分，4-13為汽車EMC檢測天線調整裝置的組成部分，汽車EMC檢測天線調整裝置由天線位置、方向（角度）調整執行機構與控制系統組成。執行機構包括擺臂機構（由擺臂4與液壓擺動馬達5組成）、天線座6、天線升降液壓缸7、天線安裝平臺8與液壓站9。其中，擺臂4共4條（上左擺臂、上右擺臂、下左擺臂、下右擺臂），上左擺臂和下左擺臂與天線座兩端用鉸鏈連接，上右擺臂和下右擺臂與安裝板之間通過液壓擺動馬達5連接，上左擺臂與上右擺臂、下左擺臂與下右擺臂之間通過液壓擺動馬達5連接；天線升降液壓缸7包括4個液壓缸，安裝于天線安裝平臺的四角。執行機構采用電控液壓系統驅動，液壓系統應采用計量泵供油。擺臂機構可以采用液壓擺動馬達5帶動擺臂4，也可以采用繩輪（或者帶輪）帶動的擺臂機構，繩輪（或者帶輪）由步進電機（或者伺服電機）驅動。

圖2 一種天線調整裝置案例結構簡圖

閉環控制系統由控制裝置14與檢測單元12和13組成。檢測單元12和13采用紅外激光測量儀，該測量儀安裝于天線安裝平臺前端。紅外線激光測量儀集成了1個電子水平儀和2個紅外激光距離測量儀，其角度測量精度0.1°，距離測量精度1 mm.兩個檢測單元可以實現天線與被測件的間距、天線高度、天線傾角等實時檢測和反饋。閉環控制系統根據檢測與計算的數據，控制各執行機構的運動進行調整，使天線與被檢測汽車的相對距離、方向符合相關標準的規定，以便實現檢測過程自動化，達到提高檢測精度、提高檢測工作效率、降低勞動強度、減少輻射污染傷害的目的。

為了確保EMC檢測數據的可靠性，汽車EMC檢測天線調整裝置設計，應確保檢測過程中，電波暗室電磁兼容性檢測的環境條件符合標準規定。因此，應將液壓站與控制裝置安裝在電波暗室外。如采用繩輪（或者帶輪）帶動的擺臂機構，其驅動的電機也應安裝在暗室外。

2 汽車E M C檢測天線調整裝置閉環控制系統設計

2.1 控制系統功能分析

根據相關標準的規定，以及天線調整裝置的調整需求，其控制系統應具備以下功能：

（1）檢測天線與被測件的相對距離、高度，根據汽車EMC檢測的需要，調整天線與被測件的間距與高度，以滿足標準的規定，并使電機或者各發動機依次定位在天線正前方；

（2）調節天線法線方向（包括水平方向角度調節與垂直方向角度調節），通過預檢測、比較被測件的電磁騷擾信號，選取天線處于最大接收信號的方向時進行；

（3）閉環控制系統及其工作過程應避免對電波暗室的電磁環境造成影響；

（4）閉環控制系統在電波暗室內的部分，在場強達到200 V/m時必須能夠正常工作；

（5）具有每次調整工作達到標準要求的指示，以提示后續進行相應的汽車EMC檢測。

2.2 閉環控制系統原理設計

（1）閉環控制系統工作原理

根據汽車EMC檢測天線調整裝置閉環系統功能分析，該閉環控制系統組成如圖3所示。

圖3 檢測天線調整裝置閉環控制系統原理框圖

檢測時將EMC檢測天線安裝于天線安裝平臺上的指定位置，輸入系統用于輸入被檢測汽車的車型參數、檢測項目及其控制參數限值等數據，控制參數限值主要是標準對天線與被測件的間距、天線高度、天線傾角等的規定值及其范圍。對于圖2的汽車EMC檢測天線調整裝置，檢測單元（紅外激光測量儀12和13）檢測天線與被測汽車的間距、天線高度、天線傾角等數據，并通過上、下兩紅外激光測量儀檢測得到的數據，計算得到天線的水平方位。通過檢測單元檢測得到的天線狀態，反饋至數據處理器，數據處理器根據檢測單元檢測到的相關數據，與控制參數限值相比較，確定被測件與檢測天線的位置關系。經數據處理器處理得到相應的控制值，進而形成控制指令，并發送給驅動控制器。驅動控制器根據控制指令驅動執行機構?！疤炀€檢測-控制驅動-調整天線位置”反復進行，以達到標準的規定值。

控制系統分別控制各液壓擺動馬達轉動的角度，帶動相應擺臂擺動，改變各擺臂相對平面坐標系的角度，從而調整天線座兩端與被測車輛的相對位置，可以獲得預定的間距與水平方向。分別調整4個天線升降液壓缸7的升降高度可以獲得需要的高度與天線傾角。

一方面，必須確保電波暗室的電磁環境條件符合標準規定。另一方面，由于電波暗室內具有很強的電磁場，場強達到典型值200 V/m，將對控制裝置的工作形成強電磁騷擾。因此，應將液壓站與電氣部分盡可能安裝在電波暗室以外。同時，在EMC檢測前還要關閉檢測單元，以便減少對電波暗室電磁環境的影響，并避免強電磁場對檢測單元的電磁騷擾。

（2）控制系統軟件流程圖

汽車EMC檢測天線調整裝置閉環控制系統控制流程如圖4所示。

圖4 閉環控制系統軟件系統程序框圖

系統初始化完成天線位置調整、檢測的各項準備。

標準要求天線處于最大接收信號的方向進行電磁騷擾限值檢測，因此需要反復執行“檢測、調整天線角度-檢測電磁騷擾值”程序，來確定車輛的最大輻射方向，以獲得的最大電磁騷擾檢測值作為車輛的電磁騷擾限值。

系統存儲天線位置調整與EMC檢測的相關數據，以便用于檢測重復性、可追溯性分析與相關科學技術研究。

3 閉環控制模型構建方法

3.1 天線位置與高度調整控制模型類型

天線位置與天線高度調整閉環控制系統屬于位置隨動系統，主要依靠位置負反饋來減小并最后消除位置偏差，可獲得較高的跟隨精度[3]。汽車EMC檢測天線位置調整，通過分別對各個連接擺臂的液壓擺動馬達的不同方向按一定量供油，帶動擺臂向相應方向轉動實現。汽車EMC檢測天線高度調整，通過分別對各個天線升降液壓缸供一定量的液壓油，推動天線安裝平臺上升預定的高度實現。由于執行機構處于低速運動狀態，且其控制精度要求低于1%.因此，采用PID控制模型即可滿足控制要求。

3.2 最大輻射方向調整控制方法

電磁騷擾最大輻射方向的獲得，需要調整檢測天線的水平方向，以及調整檢測天線的傾斜角度，并需要根據EMC檢測系統的檢測結果進行判斷。因此，通過反復執行“檢測、調整天線角度-檢測電磁騷擾值”程序，來確定車輛的最大輻射方向。由于車輛的最大輻射方向及其電磁騷擾值均未知，且車輛的電磁騷擾值在一定區域內是單峰函數，屬于一維搜索求最大值的問題。本系統根據EMC檢測系統測得的電磁騷擾值，采用二次插值的方法進行控制。根據測得的電磁騷擾值，形成小-大-小區間，以該區間的三點電磁騷擾值構造二次近似目標函數，求得該近似目標函數的極值點作為近似極值點。并以該近似極值點為一端點在附近構建較窄的“小-大-小區間”，再次進行二次插值計算，直至測得的相鄰電磁騷擾值，小于標準的檢測精度要求為止。取較大的電磁騷擾值作為最大輻射方向。該方法利用測得的電磁騷擾值構造二次近似目標函數，具有比試探法與牛頓法更好的搜索效果[4]。

4 結束語

本文在分析汽車EMC檢測天線調整裝置的控制要求的基礎上，對汽車EMC檢測天線調整裝置閉環控制系統進行功能分析，并介紹該閉環控制系統的原理設計方案。采用閉環控制系統的汽車EMC檢測天線調整裝置，具有檢測天線位置調整精度較高、重復性較好的特點。能夠為汽車EMC檢測的重復性與可追溯性提供分析數據，并為相關科學技術研究提供數據積累，從而使汽車EMC檢測系統不僅能提供檢測服務，還能夠提供數據服務、信息服務與決策服務，更好地發揮電波暗室汽車EMC檢測系統的功效。

但是需要注意，由于電波暗室內存在強電磁場，將造成強電磁騷擾。同時，汽車電磁兼容性檢測，必須滿足標準對電波暗室內電磁環境的規定。因此，應將液壓站與電氣部分盡可能安裝在電波暗室以外。并且，在進行汽車EMC檢測時，閉環控制系統需要關閉檢測單元，以便減少對電波暗室內電磁環境的影響。