車載電動機瞬態脈沖“場-線”耦合效應預測仿真與實驗設計

汶 濤， 秦紅波， 白小平， 張 超， 諸文智， 明正峰

（西安電子科技大學機電工程學院，西安 710071）

0 引 言

快速發展的電子信息技術正引領傳統汽車制造領域的新一輪革命，電動化、網聯化、智能化等成為未來交通模式的標簽，高度電氣電子化的新一代汽車將大幅度提升駕乘體驗［1-4］。各類車載電氣電子設備的大量應用毫無疑問成為汽車的電磁干擾源，這些設備通過線束進行互連并分布在車內的有限空間，以致連接線束的布局過于集中，相互耦合產生的串擾極易導致受擾設備功能出現異常。較常的見問題如：ABS系統錯誤啟動，使導航儀、倒車雷達、行車電腦出現死機現象［1-6］。汽車電氣電子設備電磁兼容設計是在整車設計完成后按國家標準進行測試，一旦不能通過就要面臨修改設計并再次測試，如此反復導致項目整體的延后，增加了設計成本。利用虛擬仿真手段輔助產品設計的模式已經在各大科研院所及企業中得到了全面的應用與推廣，培養學生的仿真能力也是適應社會對從業技術人員專業能力精細化的需求［1-4，7］。

為更好地實現產教協同，對如何將電磁兼容預測虛擬仿真技術融入本科電工電氣類專業實驗教學進行了初步探索［8-10］。由于涉及的基礎學科廣且貼近工程實際，電磁兼容學科的理論性和實踐性均較強。電磁兼容相關測試對實驗環境要求苛刻，配套的實驗測試設備價格昂貴，導致日常教學中很難開展此類實驗。得益于快速發展的計算機仿真技術，在仿真軟件環境中可以模擬實驗過程，計算并提取分布參數。虛擬仿真可為學生提供直觀、形象的學習場景，使學生對電磁兼容技術的概念與意義有更深入的理解和認識［11-13］。

車載電動機瞬態脈沖“場-線”耦合效應預測虛擬仿真，采用理論分析和電磁仿真相結合，力求使學生了解車載電子設備電磁噪聲的起因、表現及抑制等電磁兼容設計的基礎知識，滿足現代汽車電子行業發展對應用型技術人才的需求。希望本文的工作能為學生創新思維培育、高校“新工科”建設等提供借鑒［14-16］。

1 車載電動機線束“場-線”耦合效應基本理論

1.1 車載電動機線束串擾產生機理

研究汽車中多種電氣電子設備可靠工作同時不對外部環境產生干擾稱之為電磁兼容理論，這已成為車載電氣電子系統設計的重要研究方向，隨著市場需求和科技進步逐步成為新的技術門類，主旨是確保汽車在正常工作中車載電氣電子設備既不發射超過允許限值范圍的電磁干擾，又能有效抵抗其他設備電磁干擾對自身的影響。

汽車上很多日常操作如門鎖開關、雨刮器運動、天窗啟閉等，都是通過電動機來驅動執行的。由于人為操作的不確定性，電動機在工作中會發生頻繁啟停動作，由此產生的脈沖干擾會沿著電動機電源的連接線和地線傳播。由于電動機殼體安裝緊密，其內部的電磁輻射很難穿過金屬外殼。可以認為電動機對外的電磁干擾主要是通過供電線束向外傳播的。線束連接各子系統，執行能量傳輸、信號傳遞交互等任務，如果線束受到嚴重干擾，耦合進線束的能量將作用到連接設備上，使其可能面臨無法正常工作的危險。

考慮到后期便于維修并兼顧集成化設計和美觀要求，車載電氣電子設備的線束常以集中捆扎的形式進行布置，這就給不同線束相互耦合創造了條件，臨近線束的電磁耦合，屬于近場耦合問題。在車輛使用過程中，車載電動機的頻繁啟停工作模態極易導致供電線束產生干擾（如引起電壓紋波增加，產生高次諧波），并通過串擾形式耦合到臨近線束，導致相關設備性能下降或功能異常。車載線束串擾由于具有不確定的電磁兼容風險，可能會嚴重影響整車的自動控制、無線通信、安全保障等各項關系到行駛安全的性能指標。

1.2 車載電動機線束“場-線”耦合模型

車載電動機線束“場-線”耦合效應預測仿真，選擇雨刮電動機進行分析。目前汽車使用的主流雨刮電動機大多采用成熟、穩定、易于控制的永磁式直流有刷電動機，由于雨刮電動機特殊的工作模式，在開啟和關閉的瞬間電刷的換相會引起電流與電壓的急劇升高，并沿著電源線和地線向外傳播。這里從“場和路”的角度，將電動機線束的串擾分析看作典型的傳輸線問題，如圖1、2所示。

平行傳輸線方程：

式中：u (t，z)、i (t，z)分別為t時刻在z處的電壓和電流值；L0、C0分別為單位長度傳輸線的電感和電容值。

傳輸線方程的解

如圖3所示為雙導線線束“場-線”耦合模型。理論上傳輸線可離散為一系列電路單元，并由電阻、電容和電感等基本元器件構成的電路進行等效，同時為降低電路分布效應帶來的影響，要求等效電路長度必須遠遠小于傳輸信號的最小工作波長。干擾信號通過電纜間的分布電容和互感作用通過空間進入敏感設備。在計算車載線束間串擾時，需要綜合考慮電容性耦合、電感性耦合的影響，同時線束周圍的金屬結構也需要考慮在內，以保證得到的計算結果更加接近于實際情況。最終通過提取線束的分布參數，就可求得接收線束上的耦合干擾值。

2 仿真預測模型建立與結果分析

汽車線束“場-線”耦合效應的理論是抽象的，學生對于干擾耦合能量的傳輸路徑很難建立直觀的認識。本文利用CST三維電磁場仿真軟件，在電纜工作室模塊中建立全尺寸三維模型，將抽象的汽車電氣電子設備及連接線束形象化地呈現出來，再配合真實條件下的實驗仿真結果，非常方便學生觀察和分析線束間的“場-線”耦合特性。

2.1 電磁仿真模型構建

在建模過程中，考慮到金屬外殼嚴密包裹的雨刮電動機本身對外只有輕微的電磁輻射，可以忽略不計。建立雨刮電動機線束串擾模型時，僅考慮供電線束的傳輸線模型即可。仿真模型尺寸為通用型家庭轎車模型，在保證計算速度和精度的前提下，對模型做了適當簡化。例如，為易于劃分網格將車身簡化為平面，忽略輪胎、車窗、座椅和車燈等非金屬和金屬小部件（對整車電磁輻射影響很小），不計車身縫隙和空洞結構，保留整車的主體金屬結構。在CST電磁仿真軟件環境下，參照實際車輛中雨刮電動機、連接線束和敏感設備的位置進行模型設計，如圖4、5所示。

具體模型參數設置：

（1）雨刮電動機外接電源線為半徑為0.895 mm的電力線束，敏感設備的信號線采用半徑為0.33 mm的線束。根據線束布局，雨刮器電動機外接電源線與敏感設備信號線共同捆扎在一起，共線長度為500 mm。

（2）考慮到汽車大部分傳感器的工作電壓是5 V，執行器大部分是12 V。設定12 V直流電源為雨刮器電動機供電，內阻為50 Ω，敏感設備直流電源為5 V，電源內阻50 Ω。敏感設備的阻抗設置為250 Ω。

考慮到雨刮電動機的實際工作模態，仿真條件如下：雨刮電動機在起動瞬間電壓最高達到24 V，關斷時的瞬態電壓最高達到130 V。以最嚴苛的關斷瞬態電壓作為干擾源，仿真分析不同共線長度、線束間距情況下敏感設備受到的干擾信號。輸入時域脈沖干擾信號如圖6所示。

2.2 線束輻射場分布特性分析

為觀察汽車前端雨刮電動機供電線束的空間輻射特性，得到空間近場條件下的電場分布，比較不同截面高度的電場分布特性。

由圖7可見，雨刮電動機線束空間輻射場主要集中在線束周圍，越靠近線束的地方場強越大，在遠離線束的區域，電場強度的幅值下降明顯，同時空間分布更加均勻，整車前端均處于線束的輻射范圍之內。對比不同高度電磁輻射場分布圖可知，線束越靠車體上部，其產生的輻射越強，傳播范圍越廣，由此可知汽車前端的電子設備極易受到干擾。因此在汽車設計整體布線時，可選擇將電動機的供電線束安裝在車體下方，削弱其對整車的電磁輻射，也可將部分易受干擾的設備安裝在車體后方。

2.3 線束串擾仿真結果及特性分析

線束串擾的指標之一就是在干擾源線束上出現異常電壓脈沖時觀測目標設備連接線束的敏感程度。根據傳輸線理論開展仿真分析，分別討論線束間距、線束共線長度和線束距地高度等因素對線束間串擾耦合電壓的影響規律。

（1）線束共線間距對串擾電壓的影響。分析圖8中的結果可知，隨著線束共線間距增加，耦合電壓隨距離增加呈現指數下降。這是因為線束間電容隨間距增加而下降，同時敏感設備線束所處位置的場強隨間距增加也下降，兩者共同作用造成串擾呈現指數下降。

（2）線束共線長度對串擾電壓的影響。由圖9的結果可見，共線長度越長，線束上耦合電壓響應越強，這是因為線束共線長度的增加使得線束分布電容線性增加，因此干擾也隨之增強。

（3）線束距離地板高度對串擾電壓的影響。由圖10可知，線束距地板高度對平行線束串擾影響較大，隨著距地板高度的增加，接收線束上的串擾耦合電壓也近一步增高。

2.4 不同線型的串擾抑制效果分析

通過對耦合路徑的更改，可以起到抑制串擾產生的效果。雙絞線是用兩根按照一定規律互相纏繞導線，這種特殊結構具有降低電磁干擾的能力，作為一種常用傳輸介質被廣泛應用于各種布線工程。采用雙絞線代替上述的單線傳輸線，對抗干擾效果進行仿真分析，在施加同樣的時域脈沖信號干擾下，保持和單線時相同的線束間距和共線長度等仿真設置，在敏感設備線束上得到的串擾電壓如圖11所示。

由圖11可以得到以下結論：采用單線模型時的串擾電壓峰值為1.83 V，采用雙絞線時的串擾電壓峰值為0.47 V，干擾幅度下降75%，串擾抑制效果非常明顯。由此可見，雙絞線對線束串擾抑制作用顯著。

3 結 語

隨著電磁兼容設計在車載電氣電子設備互聯中日趨重要的地位，以汽車雨刮電動機為例分析了電動機瞬態脈沖引起的“場-線”耦合效應及作用機理，在CST軟件仿真環境下建立基于雨刮電動機實際工作模態下的預測仿真電磁模型，通過對比不同高度截面汽車空間電場云圖，得到供電線束電磁輻射近場分布特性，通過控制變量仿真分析，得到了線束間距、線束共線長度、線束距離地板高度等因素對串擾電壓的作用規律，對比驗證了不同信號傳輸線的干擾抑制效能。