淺談工程機械儀表電磁兼容設計及試驗

黃 輝

（廣西柳工機械股份有限公司研究總院，廣西 柳州545007）

0 前言

隨著工程機械產品多樣化、大型化、智能化的發展，工程機械產品上的各種電子設備、控制模塊也越來越多，它們的功能也越來越強大、形式越來越復雜，而工程機械產品的作業工況比較惡劣，因此工程機械產品的電子設備的可靠性要求也越來越高。工程機械產品作業環境影響以及車載電子設備互相之間的干擾影響直接對電子設備的可靠性造成較大的影響。

這些對電子設備造成的干擾通常稱之為“電磁干擾”。為了保證電子設備不受環境干擾，或者防止電子設備間互相干擾，各個國家或者一些行業組織制定了相關的法律、法規、標準。產品設計、制造要遵循相關法律法規或標準，以保證其符合法律法規或標準的要求，即認為產品具有了電磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）。電磁兼容性已成為判定電子設備產品安全及可靠性的一個重要指標。這就要求在進行工程機械產品設計時，除了保證電子設備的功能、性能外，還要保證滿足電磁兼容性的要求，即電磁兼容設計也是工程機械產品設計的一個重要環節。

1 標準簡介

根據工程機械產品電子設備的使用環境及工況特點，考慮到電子設備可能遭受到的各種電磁干擾，如通過電源線、測量和控制線或在環境中輻射的干擾等。按產品的應用范圍，通常對工程機械電子設備進行的一些電磁兼容測試內容包括以下幾方面：1）對外部的電磁干擾；2）抗沿電源線瞬態傳導干擾；3）抗靜電放電的電氣干擾；4）抗窄帶輻射電磁能量所產生的電氣干擾，通過對這些項目的測試，來驗證車載電子設備的電磁兼容性能。

而對工程機械儀表來說，其電磁兼容性主要解決的是抵抗外部電磁干擾，保證自身的功能、性能不受外部干擾的影響。本文側重介紹抗沿電源線瞬態傳導干擾、抗靜電放電的電氣干擾、抗窄帶輻射電磁能量所產生的電氣干擾這三方面相關的一些標準：

（1）抗沿電源線瞬態傳導干擾。應用標準《GB/T 21437.2-2008道路車輛—傳導與耦合所引起的電騷擾—第二部分：沿電源線的電瞬態傳導》的測試方法[1]。該標準就是根據車載電子設備的實際應用物理環境，規定了相應的測試方法及評價標準。通過模擬實際車載電子設備所處的電源環境極端狀態，為車載電子設備的抗沿電源線瞬態傳導干擾能力提供了相應的評價依據，具有很強的實踐指導意義[2]。

（2）抗靜電放電的電氣干擾。應用標準《GB/T 19951-2005道路車輛靜電放電產生的電騷擾試驗方法》的測試方法[3]。該標準是針對車用的電子模塊和實際車輛，評估靜電放電導致的電子設備誤動作和耐破壞性的靜電放電抗干擾度試驗的國際標準法規。

（3）抗窄帶輻射電磁能量所產生的電氣干擾。

應用標準GB/T 33014道路車輛—窄帶電磁輻射能量引起的電騷擾—零部件測試法。該標準為抗窄帶電磁輻射源產生的電磁干擾零部件的測試方法，總包括11部分。其中常用到的有：1）GB/T 33014.2-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第2部分：電波暗室法[4]；2）GB/T 33014.3-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第3部分：橫電磁波（TEM） 小室法；3）GB/T 33014.4-2016道路車輛 電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法第 4 部分：大電流注入（BCI）法[5]；4）GB/T 33014.5-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第5部分：帶狀線法。

在實際應用中，可慘照以上標準要求對儀表進行試驗驗證，以保證儀表能滿足工程機械設備對儀表電磁兼容性的要求。

2 電磁兼容設計

工程機械產品上有很多的的感性電子設備，如起動電機、雨刮電機、空調風機、喇叭、繼電器等，這些設備在工作過程中會產生較大的干擾。同時，由于工程機械產品作業環境復雜、工況惡劣，設備電源環境存在較多的尖峰脈沖，對于儀表的干擾、沖擊非常大，因此儀表的電磁兼容性顯得尤其重要。

為了保證儀表在滿足其功能、性能要求的同時，也必須滿足電磁兼容性的要求。如何使儀表滿足電磁兼容性，這就是電磁兼容設計需要解決的問題。

形成電磁干擾的三個要素：干擾源、干擾途徑及受干擾對象，形成干擾必須同時滿足這三個要素。電磁兼容設計就從這三個要素出發去研究如何解決電磁干擾。抑制干擾源、切斷干擾途徑、提高電子設備自身抗干擾能力就成為了解決電磁干擾基本措施。這些措施相比較，抑制干擾源是比較困難的，其投入的資源需求較大，且效果收效不顯著。因此，解決儀表電磁干擾的原則就是加強自身抗干擾能力，對應的一般方法是進行導線屏蔽、電源濾波、信號隔離、線路板接地等各種方法，通常同時采用多種方法去進行設計。

針對工程機械儀表在實際應用中通常出現的單片機及信號驅動芯片受脈沖沖擊損壞或者受機器拋負載影響，導致儀表失效的故障。針對這些故障，特別提出了以下兩種儀表電源濾波穩壓處理及信號隔離的設計方法，解決儀表電磁兼容問題。

（1）對于正脈沖，一般采用吸收法進行尖峰濾除或削峰，如可用高壓旁路元件+低通濾波法吸收正脈沖的能量，一般高壓旁路元件有壓敏電阻、氣體放電管、TVS穩壓管等，但要注意在電路中增加電能消耗元件以保護TVS等高速放電器件；對于負脈沖，一般可采用增加電容容量方法處理，通過電容的蓄能抵抗負脈沖的干擾[5]。

（2）對于電源跌落，一般可采用增加穩壓電源的濾波電容，使系統在2～5 s內仍能提供合適電壓。

（3）對于高能量的正波型，一般采用削峰法進行處理，如采用斬波電路等，防止高能量的干擾波竄人電路中。

（4）采用多級濾波穩壓電路，如圖1所示，有效地解決儀表長期受到外部尖峰電壓脈沖的沖擊。

圖1 多級穩壓電路原理圖

（5）采用光電耦合對采集信號通道進行電氣隔離，防止尖峰脈沖從信號線竄入儀表，對儀表的信號處理芯片造成沖擊，如圖2所示。

圖2 光電耦合電路示意圖

3 試驗方法及功能評價

儀表設計完成后需根據測試標準對儀表進行試驗，試驗過程中或試驗結束后通過對儀表的功能完成情況檢查來驗證儀表的電磁兼容性是否符合設計要求。電磁兼容標準中，按電氣、電子系統或者電子裝置總成在試驗過程中的功能失效模式嚴重程度，分為以下五類[4]：

A類：裝置或系統在施加騷擾期間和之后，能執行其預先設計的所有功能。

B類：裝置或系統在施加騷擾期間，能執行其預先設計的所有功能；然而，可以有一項或多項指標超出規定的偏差。所有功能在停止施加騷之后，自動恢復到正常工作范圍內。存儲功能應維持A類水平。

C類：裝置或系統在施加騷擾期間，不執行其預先設計的一項或多項功能，但在停止施加騷擾之后能自動恢復到正常操作狀態。

D類：裝置或系統在施加騷擾期間，不執行其預先設計的一項或多項功能，直到停止施加騷擾之后，并通過簡單的“操作或使用”復位動作，才能自動恢復到正常操作狀態。

E類：裝置或系統在施加騷擾期間和之后，不執行其預先設計的一項或多項功能，且如果不修理或不替換裝置或系統，則不能恢復其正常操作[1]。

注：此處的“功能”系指電氣/電子系統執行的功能。

參照以上失效模式分類，將儀表在試驗過程中的功能實現的實際情況與失效模式分類進行對比，可以判斷儀表的電磁兼容性是否符合設計預定要求。

（1）試驗驗證儀表在窄帶電磁輻射能量引起的電騷擾下的抗干擾等級。根據標準《GB/T 33014.2-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第2部分：電波暗室法》進行試驗[4]。抗干擾試驗要求見表1。

表1 窄帶電磁輻射能量引起的電騷擾下的抗干擾試驗要求

（2）試驗驗證儀表大電流注入干擾過程中，是否滿足設計要求。根據《GB/T 33014.4-2016道路車輛電氣/電子部件對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法第4部分：大電流注入（BCI）法》進行試驗[5]。抗干擾試驗要求見表2。

表2 大電流注入抗干擾試驗要求

（3）試驗驗證儀表在沿電源線的電瞬態傳導干擾下的抗干擾等級。根據標準《GB/T 21437.2-2008道路車輛—傳導與耦合所引起的電騷擾—第二部分：沿電源線的電瞬態傳導》進行試驗[1]。抗干擾試驗要求見表3。

表3 沿電源線的電瞬態傳導抗干擾試驗要求

（4）試驗驗證儀表在靜電放電引起的電騷擾抗干擾等級。根據標準《GB/T 19951-2005道路車輛靜電放電產生的電騷擾試驗方法》進行試驗[3]。抗干擾試驗要求要求見表4、表5。

表4 靜電放電引起的電騷擾抗干擾試驗要求

表5 靜電放電引起的電騷擾抗干擾試驗要求

4 結束語

工程機械機器工作環境通常比較惡劣，工況較復雜，機器的電氣設備所處的工作環境也就比較復雜，因此對電氣設備的環境適應性的要求較高，如何提高設備的環境適應性，以提高設備的可靠性，成為工程機械機器電氣系統需要解決的重要課題。本文從工程機械儀表的電磁兼容性設計及試驗進行闡述，為工程機械機器電氣設備的電磁兼容性解決方案及研究提供思路。