汽车测试技术论文(2)
汽车测试技术论文篇二
汽车发电机电磁干扰形成机理及测试技术研究
摘 要：发电机是汽车电源系统的重要组成部分，其电磁兼容性能对车内电器设备的正常工作状态有着重要影响。在对汽车发电机电磁干扰(EMI)形成机理进行研究的基础之上，通过搭建试验台架，对其EMI特性进行了测试和分析。本文对于汽车发电机的电磁兼容性(EMC)研究具有一定的参考意义。
关键词：汽车;交流发电机;电磁干扰(EMI);电磁兼容性;测试技术
中图分类号：TM33文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.002
Research of the Electromagnetic Interference Mechanism and Testing Methods for Automotive Generator
Cai Heng1,2, Dong Xiaomin1, Li Xu2,Wu Cunxue2,Zhai Jianpeng2,Chen Lidong2,Guo Dijun2
(1.College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044，China;
2.China Chang'an Automotive Engineering Institute, Chongqing 401120，China)
Abstract：The generator is one of the most important parts in automotive power system and it is a potential source of electromagnetic interference (EMI) to automotive electronic sub-assemblies. Based on the research of the mechanism that the automotive generator gives rise to EMI，the test bench was established and EMI characteristics were tested and analyzed. The work reported in this paper is useful for the research on electromagnetic compatibility (EMC) of automotive AC generators.
Key words：automobile;AC generator;EMI;EMC;testing method
发电机是汽车的主要电源，其功用是在汽车正常运转时(怠速以上)，向车内所有用电设备(起动机除外)供电，同时向蓄电池充电。目前国内外生产的汽车发电机的结构基本相同，都是由三相同步交流发电机和硅整流器两大部分组成。
首先，由于发电机定子绕组中所感应出的三相交流电，要靠硅二极管组成的整流器改变为直流电。由于发电机整流器是非线性设备，工作时会在交流侧和直流侧产生大量的干扰，而直流侧的EMI可通过公用电源线影响到整车电器系统的正常工作。
其次，由于交流发电机的转子转速及电气负载都在很大范围内变化，为防止发电机的输出电压发生较大变化，交流发电机都配有电压调节器。而采用断电式的电压调节器会在磁场线圈中引起频率和幅值不等的自感电动势，形成EMI。
另外，发电机因电缆腐蚀、接触不良或发动机正常运转时，有意或无意地断开与蓄电池的连接，会形成发电机的抛负载瞬态现象。此时，发电机输出电压会瞬间上升，形成的脉冲电压有可能导致整车电器设备特别是电控系统ECU的误动作[1]。
发电机的EMI对车内敏感电器设备/系统的正常工作和整车是否能通过EMC法规都具有重要影响。因此，对汽车发电机EMI形成机理和测试技术等进行研究，对于汽车发电机EMC技术的研究，以及对于整车EMC性能的提升都具有重要意义。
1 EMI形成机理分析
1.1 整流系统EMI机理
汽车用交流发电机整流器为硅二极管组成的三相全波整流电路，通过硅二极管的自然换向达到整流的目的。
图1中给出了整流器等效电路。在汽车用交流发电机中，由于转子磁极呈鸟嘴形，磁场的分布近似正弦规律。由于三相绕组在定子槽中的对称绕制方式，所以在三相绕组中产生频率相同、幅度相等及相位相差120o电角度的正弦电动势、和。其表达式为
式中：，为相电压有效值;为电源角频率。
图2给出了某汽车发电机的实测电压输出波形。把导通阶段的电压记为，换相阶段的电压记为，则发电机输出电压波形的频率为。设换相起始角为(对于用硅二级管整流的发电机 即为自然换相角，)，由于发电机漏抗的存在，电流不能突变，电流换相需要一段时间，叫换相重叠角，用表示[2-3]。
则在整流器的一个输出电压周期内，其输出电压可计算如下[4-6]：
在导通阶段()，图1中二极管D5和D4导通，整流器直流侧输出电压为：
在换相阶段()，二极管D1、D5和D4都导通，相当于A、C两相间短路，短路电压为A、C两相间电压的均值，即为。则此时整流器直流侧的输出电压为
此后，电压以为周期重复。二极管D1、D5换相结束后，D1和D4导通，D5截止，此时整流器输出电压为
(4)
在整流器输出电压的一个周期内，电压在和时各发生一次跳变。从(2)、(3)和(4)式中可计算出跳变电压和
由以上分析和计算可以看出，发电机整流器在直流侧所形成的EMI主要是由于换相过程中硅二极管的开关工作方式所引起的电压跳变所产生。
1.2 电压调节器EMI机理
发电机具有最大输出电流的自我限值能力。但是，必须配有电压调节器以保证当转速和负载发生较大变化时，输出电压的相对稳定。
根据交流发电机工作原理，三相绕组产生的相电动势的有效值为
式中：(交流发电机采用整距集中绕组);N为每相绕组的匝数;为每极磁通;为感应电动势的频率，其中为磁极对数，为发电机转速，r/min。
所以，当发电机转速增加时，不管是触点式、晶体管式或者集成电路电压调节器，都是通过控制励磁电流的通断来减小磁通，从而减小，以达到使发电机的输出电压保持相对稳定。在切断励磁电流的瞬间，形成的自感电动势自感电动势大多以高幅值的负向脉冲出现，实测峰值可达数百伏。此高幅值的瞬变脉冲一方面在触点式电压调节器的触点间形成火花放电，或者使电子式电压调节器的三极管击穿(如图3中的三极管VT2)。另一方面，由于瞬变脉冲幅值高，时间非常短，在相连电路和导线的天线作用下，形成较强的宽频辐射干扰。
触点式电压调节器由于电压调节精度不高、触点间火花放电严重等问题，目前已基本淘汰。为提升电子式电压调节器的EMC，可增加续流二极管VD，和滤波电容C。当励磁电流由导通转化为截止时(F端为+,B端为-)，励磁线圈上的瞬变电压通过VD形成放电回路，有效地防止了瞬变电压对三极管VT2的击穿损坏，并配合滤波电容C的作用，大幅降低电压调节过程中的EMI发射，如图3所示。
1.3 发电机抛负载EMI机理
图4给出了发电机因电缆腐蚀、接触不良或发动机正常运转时，有意或无意地断开与蓄电池的连接(或断开与其它用电设备的连接)，即发电机抛负载时的电路图。
抛负载发生时，图1中的等效负载阻抗，导致发电机直流侧输出电流，由于发电机漏感的存在，电流不能突变，此时，在发电机定子线圈中会形成瞬变的自感电动势。自感电动势的极性与发电机输出电压相同，以阻碍输出电流的减小，从而表现为输出电压的升高(图4中DUT上的电压升高)。
2 测试和分析
2.1 试验台架搭建和布置
汽车发动机启动后(怠速以上)，发电机对车上用电设备及系统进行供电。由于发动机转速变化、电气负载变化以及车内复杂电磁环境等因素的影响，导致在整车上不易准确测试出发电机的EMI特性。而一般采用电动机对发电机进行拖动的测试台架，由于电动机在运转过程中本身要形成较强的EMI，因此，必须进行相应的屏蔽处理，实施起来较为困难。基于上述原因，这里设计出用气动马达对发电机进行拖动和调速的EMI测试台架，如图5所示。由于气动马达在工作过程中不会形成EMI，由此达到对发电机的EMC进行较为准确测试的目的。
为使试验具有较好的重复性和可比较性，在进行传导和辐射EMI测试时，测试布置严格按照《GB18655―2002用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》标准[7]，第3部分：车辆零部件和模块的测量要求进行。
蓄电池和人工电源网络LISN的一端相连，并通过指示仪表与发电机的励磁端相连，LISN的另一端与发电机负载输出端相连接。发电机的负载通过蓄电池和一组100 W功率的汽车大灯并联实现。测试时，接通气动马达的气源，此时气动马达在气源的压力作用下开始转动，通过调节气源的气体强度，达到调整发电机转速的目的，并使发电机处于符合要求的发电状态。
2.2 传导和辐射EMI测试
测试用接收机为R&S公司ESCI，可测频率范围为9 kHz～3 GHz，LISN、测试天线和相应测试设备均满足CISPR16-1-1标准要求，测试在重庆车辆检测研究院有限公司EMC实验室进行。表1中给出了接收机的参数设置。
图6给出了某型车用发电机的转速在2 500 r/min左右时，用电压法在人工电源网络50 Ω阻抗上测试得到的发电机整流器直流输出侧的传导EMI在0.15～108 MHz频率范围内的峰值测试结果。红色限值曲线为《GB18655―2002 用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》标准，第3部分：车辆零部件和模块测量中电源输入端传导干扰的准峰值5级限值。
图7给出了用电流探头法测试得到的发电机励磁线上的传导EMI在0.15～108 MHz频率范围内的峰值测试结果(部分频率点同时给出了准峰值测试结果)。红色限值曲线为《GB18655―2002用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》标准，第3部分：车辆零部件和模块测量中控制/信号线传导干扰的准峰值5级限值。
图8给出了发电机辐射电磁骚扰在0.15～1 000 MHz频率范围内的垂直极化的峰值干扰测试结果(部分频率点同时给出了准峰值测试结果)。红色限值曲线为《GB18655―2002 用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》标准，第3部分：车辆零部件和模块测量中的辐射电磁干扰的准峰值5级限值。
从图6、图7和图8中可见，发电机的传导和辐射EMI完全满足《GB18655―2002用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》标准，第3部分：车辆零部件和模块测量中的相关发射的5级限值要求，体现了良好的EMC。
2.3 发电机抛负载EMI测试
发电机抛负载时形成的瞬变电压脉冲，可参考《GB/T 21437.2―2008 由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导》标准中的要求进行测试。图9(a)给出了发电机抛蓄电池负载时，在发电机直流输出侧用示波器测试获得的瞬变电压脉冲。图9(b)同时给出了发电机抛负载时形成瞬变电压的标准波形，波形的具体参数参见《GB/T 21437.2―2008 由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导》标准[8]。
可见，实测发电机抛负载干扰波形与标准抛负载波形基本一致，实测脉冲幅值一般比标准脉冲幅值偏小。测试表明，发电机抛负载的幅度取决于断开负载连接时，发电机的转速和发电机的励磁场强的大小，抛负载脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。为减小抛负载时形成的瞬变干扰，大多数新型交流发电机内部增加了限幅二极管，未增加限幅二极管的抛负载瞬态脉冲的峰值可达65～87 V之间，对车载电器设备特别是电控系统ECU的正常工作有着重要影响。
3 结论
汽车交流发电机是组成汽车电源系统的重要部件，它的EMC对车内电器设备的正常工作状态有着非常重要的影响。本文对汽车交流发电机EMI形成机理和测试技术进行了研究。主要研究工作和得到的结论如下：
(1)交流发电机整流器形成EMI的原因是整流器在换相过程中，由于发电机漏感的存在，在换向重叠角期间，硅二极管的开关工作方式所引起的电压跳变所致。
(2)发电机电压调节过程中，励磁电流不断地导通和截止，在励磁电感线圈上出现幅值极高的瞬变电压，在相连电路和导线的天线作用下，形成较强的宽频辐射干扰，可采用增加续流二极管和滤波电容的方法进行干扰抑制。
(3)发电机抛负载时EMI脉冲实测波形与标准规定波形基本一致，实测脉冲幅值一般比标准脉冲幅值偏小。抛负载的脉冲幅度和宽度，取决于断开负载连接时，发电机的转速、发电机励磁场强的大小和励磁电路的时间常数。
(4)基于气动马达对汽车发电机进行拖动和调速的EMC测试台架，能对发电机的EMI特性进行较为准确的测试。
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