CC BY
3
11. Козловский В.Н. Развитие проектов электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой / В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, М.М. Васильев, В.В. Дебелов // Грузовик. 2018. № 6. С. 18-21.
12. Николаев П.А. Оценка соответствия автомобилей требованиям помехоустойчивости к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний // Грузовик. 2017. № 10. С. 44-48.
13. Николаев П.А. Многофакторная оценка влияния дорожной обстановки на помехоустойчивость бортового электротехнического комплекса автомобилей / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний, А.С. Саксо-нов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 1. С. 36-41.
14. Николаев П.А. Испытания автотранспортных средств на устойчивость к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний // Электроника и электрооборудование транспорта. 2017. № 5. С. 43-46.
Подгорний Александр Сергеевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Николаев Павел Александрович, д-р техн. наук, начальник лаборатории электромагнитной совместимости, [email protected], Россия, Тольятти, АО «АВТОВАЗ»,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Панюков Дмитрий Иванович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
STUDY OF ELECTROMAGNETIC IMPACT ON THE ELECTRICAL COMPLEX OF PASSENGER CARS A.S. Podgorny, P.A. Nikolaev, V.N. Kozlovsky, D.I. Panyukov
The article presents the results of a study of electromagnetic effects on the electrical complex of cars.
Key words: car, on-board electrical complex, quality, reliability.
Podgorny Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, senior researcher, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Nikolayev Pavel Alexandrovich, doctor of technical sciences, head of the laboratory of electromagnetic compatibility, [email protected], Russia, Togliatti, AVTOVAZ JSC,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Panyukov Dmitry Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-372-373
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ЛЕГКОВЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ
А.С. Подгорний, П.А. Николаев, В.Н. Козловский, С.А. Васин
В статье представлены результаты разработки и реализации комплекса инженерно-технических решений, направленных на обеспечение электромагнитной совместимости автотранспортных средств.
Ключевые слова: автотранспортное средство, бортовой электротехнический комплекс, электромагнитная совместимость.
Для нормального функционирования бортового электрооборудования автотранспортного средства (АТС) уже на этапе проектирования закладываются ЭМС решения. Правильно выбранная концепция снижает время и финансовые затраты на разработку. Из практики известно, что при недостаточно должном ЭМС подходе, то система не только перестает нормально функционировать, но и влияет на работоспособность других систем. Наиболее часто проблемы выявляются, когда разрабатывается принципиально новое устройство. Учет ЭМС на первоначальном этапе позволяет минимизировать ресурсы доработок для быстрого и эффективного обеспечения соответствиям требованиям. Во многих случаях для решения проблем применяется комплексный подход.
Обобщая существующий опыт, можно дать следующую классификацию по способу реализации применяемым для обеспечения помехоустойчивости решениям ЭМС, которая приведена на рис.1.
Информационные решения. К данной группе относятся решения, принципы обеспечения ЭМС которых основаны на применении помехозащищенной информации. Сюда входят сигналы, коды и программные решения.
Сигналы лежат в основе всех информационных сообщений. При их искажении происходят ошибки приема данных, и нарушается работоспособность бортовой электроники. Вследствие чего целостность сигналов важна для нормального функционирования электрооборудования.
377
Рис. 1. Классификация типовых решений, применяемых для обеспечения помехоустойчивости АТС
В АТС используется аналоговая, так и цифровая передача информации. В основном аналоговые сигналы поступают с датчиков на входа систем управления, с дальнейшим преобразованием в цифровой формат (рис.2). Внутри и межсистемные коммуникации производятся посредством цифровых сигналов.
Рис. 2. Сигналы датчика положения коленчатого вала: 1 - аналоговый; 2 - цифровой, после преобразователя
Наименее помехозащищенными являются аналоговые сигналы, у которых амплитуда служит носителем информации. Физический процесс искажения заключается в изменении истинного значения Цист на некоторую величину, соответствующую наведенной помехе. Дальнейшая обработка информации производит по искаженным данным.
Цизм = и ист ± ип, О)
где Цизм - напряжение сигнала на входе устройства обработки; Цист - истинное значение сигнала; Ц - напряжение помехи.
Уровень наведенных помех из-за линейности АТС, как электромагнитной системы [1], пропорционален уровню внешнего излучения. Если Ц таково, что выходная функция управления выходит за допустимые пределы, то происходит нарушение функционирования АТС. Например, неправильное определение количества топлива из-за искажения данных массового объема воздуха подаваемого в цилиндры двигателя может привести к его остановке. Из-за наведенных помех на датчик массового расхода воздуха, контроллер системы управления скорректирует подачу топлива, вследствие чего в действительности получится обедненная или обогащенная топливовоздушная смесь. Если коэффициентом избытка воздуха аив [2] будет выходить за пределы 0,4 - 1,3, то фронт пламени в цилиндре не будет развиваться, и смесь не будет гореть. На рис. 3 показана динамика развития сбоя. На участке I уровень электромагнитного воздействия незначителен и сигнал с датчика массового расхода воздуха не искажен. Дальнейшее увеличение амплитуды внешнего излучения приводит к наведению помех, достаточных для появления ошибки управления, выражающейся в обогащении топливовоздушной смеси. Участок II характеризуется достижением значения аив = 0,8 и двигатель выходит на точку характеристики максимальной мощности. Это обуславливает приращению оборотов с т до т. Дальнейшее увеличение уровня излучения приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха, и соответственно и мощности двигателя. На участке III обороты падают, а затем, когда уровень помех становиться такой, что фактический аив < 0,4, двигатель останавливается (участок IV).
Основной путь повышения помехозащищенности информации с датчиков является применение частотно-модулированных сигналов (рис.4).
Для повышения помехозащищенности цифровой информации применяются дифференциальные сигналы (рис.5), в которых синфазная наведенная помеха подавляется более чем 50 дБ. Ее коэффициент ослабления равен
£ _ Ц СФ _ Цвх1 + Цвх2 (2)
осс Ц Д 2(и „1 - Ц х 2)'
где Цсф - напряжение синфазного сигнала; Цд - напряжение дифференциального сигнала; Цвх1 и Цвх2 - составляющие напряжения дифференциального сигнала.
Однако эффективное подавление помехи достигается только в области рабочей полосы электрической
схемы.
О
о
1 1
I 11 I и\ i .V
\ [
1
Напряженность поля В/и
Рис. 3. Развитие сбоя двигателя при искажении информации о иостуиаемом в цилиндры воздухе
SAVBEEC
Тип < Изображ.
КнПечатн
Рис 4. Частотно-модулнрованный сигнал с датчика массового расхода воздуха
Синфазный сигнал Ц.ф(помеха)
Дифференциальный сигнал и
UUlyJ
+
Рис. 5. Дифференциальный сигнал
На протокольном уровне повышение помехозащищенности достигается применением кодированных последовательностей. В современных сетях АТС в основном используются CAN-протоколы, имеющие типовую скоростью передачи данных 500 кбит/с. Данная скорость оптимальна для длины шины 5 м. Нормальная работоспособность CAN-шины сохраняется при ее загрузке не более 55%. В некоторых случаях могут использоваться CAN-шины с другими скоростями, например, мультимедийные низкоскоростные 125 кбит/с, или 1 Мбит/с, объединяющие группу из 2-3 устройств.
Особенностью CAN протокола является отсутствие информация о ее конфигурации. Поэтому устройства могут быть включены в сеть без какого-либо изменения программного обеспечения. Внутри CAN-шины любое сообщение принимается всеми узлами. Содержание внутри сообщения определяется идентификатором, который описывает значение данных, таким образом, чтобы все устройства, подключенные в сеть, могли решить фильтрацией возможность воздействовать на данное сообщение или нет. CAN шина имеет одно из двух возможных логических значений: «recessive» или «dominant». Напряжение логического «0» соответствует доминантному физическому состоянию, напряжение логической «1» - рецессивному.
Data frame или кадр имеет семь полей: «start of frame» - 1 бит; «arbitration field» - 11 бит; «control field» -6 бит; «data field» от 0 до 8 байт; «CRC field» - длина определяется параметрами передаваемого потока данных; «ACK field» - 2 бита и «end of frame» - 7 бит. Между кадрами идет минимум 3 бита, имеющих логический уровнь «1». Если в шине отсутствуют сообщения, то в ней устанавливается уровень «recessive». При передаче сообщения «Начало кадра» устройство, начавшее передачу данных, устанавливает в шине уровень «dominant». Если передачу информации начали вести одновременно два или более устройств, то приоритетное сообщение выбирается по второму полю идентификатора (рис.6).
Алгоритмы, заложенные в заложенными CAN-протокол определяют его помехозащищенность. Проверка кадров на целостность проверяется в поле «CRC». Вероятность ошибки для необнаруженных искаженных сообщений составляет Р=4,7-10-11. После передачи фрейма все устройства проверяют непротиворечивость получаемого информации, затем подтверждают непротиворечивость информации или помечают противоречивые посылки.
Если передатчик передал сообщение искаженное сообщение «ERROR FRAME», то он заново повторяет его передачу.
Устройство может иметь одно из трех состояний: активная/пассивная ошибка, а также отключение от СА^шины. При активной ошибке устройство не отключается и может нормально взаимодействовать с СА^шиной. При пассивной ошибке устройство не может передавать сообщения, а только принимать и обрабатывать их. Если устройство переходит в состояние отключения от шины, то оно принимает, но не обрабатывает информацию. У каждого устройства есть счетчики ошибок передачи и приема. В зависимости от того сколько ошибок устройство будет переходить из одного состояния в другое, и может как отключаться от шины, так и самовосстанавливать свою работоспособность.
Бит приоритета
•ОДР , узла № 1 1 ! 1 0 0 10 10 1 1 1 1 1 1 1 0 1 Кадр высшего приоритета
; ; Кадр низшего приоритета
Кадр | узла № 2 1 1 0 0 0 1 1 —1—1— 1 0 0 1
Начал« one цдентификатера 11 бит (арбитраж)
кедра
Рис. 6. Принцип арбитража в CAN-uume Помимо CAN в АТС локально реализуются протоколы пакетной передачи данных Ethernet, GSM, Wi-Fi и
Bluetooth.
При обработке информации широко применяется программная фильтрация, реализуемая на принципах на накопления и анализе получаемых данных.
Одним из типовых решений является введение временной задержки для исключения дребезга контактов. Как правило, она выбирается исходя из компромиссных условий - достижения наиболее максимального подавления помех и приемлемого отклика системы. В числовом выражении временная задержка задается в диапазоне 40-120 мс.
Другим видом программной фильтрации является анализ текущих данных по отношению к среднему значению (рис.7). Этим исключаются грубые ошибки.
Электромагнитная помеха
JK
— L т - —
/Г т
Начальный интервал
Суммарный сигнал at- ы и м м
Следующий интервал / анализа
X — выборка
х - интервал дискретизации Г ■ /г. интервал анализа п выборок
Рис. 7. Фильтрация грубых ошибок
Среднее значение вычисляется за серию предыдущих измерений и вычисляется дисперсия. Если последнее измерение попадает в заданное окно допуска, то оно учитывается в дальнейшей обработке. В другом случае при выходе за допуск оно исключается из измерений, как грубая ошибка.
Широко применяются решения, обеспечивающие выход программы из неопределенного состояния. При появлении дестабилизирующего фактора, например, электромагнитной помехи, возникают в программе условия неоднозначности, и она уходит в неопределенное состояние. Для возвращения к исходной нормальной работоспособности необходимо принудительная перезагрузка или перезапуск. Для этого применяются решения на базе следящих схем. Принцип из работы заключается в получении признака функционирования от контролируемого объекта. На практике это некая информация, например, бит подтверждения по запросу, позволяющее однозначно идентифицировать текущее состояние системы. Один путь основан на использовании дублирующего микропроцессора. В этом случае каждый микропроцессор контролирует за работу другого. Если произошло зависание одного, второй его перезагружает. Второй путь базируется на применении сторожевого таймера (рис.8). В начальный момент времени
работы сторожевой таймер системы запускает свой внутренний счетчик. При нормальном функционировании микропроцессор, через заданные периоды времени сбрасывает сторожевой таймер. При зависании микропроцессора таймер им не сбрасывается и происходит переполнение его внутреннего счетчика, после чего таймер формирует сигнал «Reset», который перезагружающий микропроцессор.
Перезагрузка
(Reset)
Микропроцессор Сторожевой
таймер
Сброс
сторожевого таймера
Рис 8. Следящая схема перезагрузки микропроцессора на базе сторожевого таймера
Топологические решения применяются для обеспечения рационального ЭМС исполнения информационных и силовых линий и широко применяются при проектировании печатных плат и трассировке жгутов проводов.
При неправильном проектировании печатной платы электронная система будет иметь низкую помехозащищенность и соответственно вероятность нарушения ее работоспособности возрастает. Для современных высокоскоростных схем печатная плата рассматривается как линия с распределенными и сосредоточенными элементами, которые зависят от проводящего рисунка, магнитной и диэлектрической проницаемостями. Шины питания, для подавления помех, имеют высокую емкость. Для сигнальных линий критерием является обеспечение волнового сопротивления в диапазоне 40-120 Ом. Для каждой система выбирается свое оптимальное значение волнового сопротивления. Так для СА^шины оно составляет 120 Ом, а для радиотехнических систем, например, система ЭРА ГЛОНАСС - 50 Ом. Сложность реализации одинакового волнового сопротивления по всей длине трассы определяется имеющимися на ней неоднородностями. Для их минимизации оптимизируются конфигурация проводников за счет рациональных поворотов в виде закруглений и минимизации геометрических размеров металлизированных отверстий.
Не маловажным моментом является организация взаимной трассировки прямого и возвратного проводников. Большая площадь контура определяет высокий уровень наведенных в нем помех. Рациональная конфигурация прямого и возвратного проводников подразумевает их прохождение рядом без расхождений (рис.9), а наилучшим решением в качестве возвратного проводника является плоскость. Аналогичное правило применяется при осуществлении соединений между различными платами.
Обеспечение параметров ЭМС также достигается минимизацией длин проводников печатной платы [3], т.к. короткие проводники являются менее эффективными приемными антеннами.
Одной из основных проблем ЭМС в печатных платах являются перекрестные помехи, передающиеся по емкостной и по индуктивной связям (рис.10). Наиболее подвержены их влиянию близкорасположенные сигнальные линии.
а б в
Рис. 9. Реализация трассы печатного рисунка: а - не рационально (большая площадь контура); б - не рационально (неоднородность волнового сопротивления); в - рационально; 1 —прямой проводник; 2 —возвратный проводник; 3 —зона неоднородности
Рис 10. Взаимодействие линий передач при образовании перекрестных помех: 1 - источник; 2 - рецептор
Перекрестные помехи уменьшаются за счет использования проводящих слоев для возвратного пути; снижения длины проводников; преимущественного использования микрополосковых линий передач; уменьшение волнового сопротивления; использования материалов с малой диэлектрической проницаемостью; сближения сигналь-
ных и возвратных трасс в выводах корпусов микросхем и соединителях; использования защитных трасс с закорачивающими металлизированными отверстиями на концах и по длине, а также расположения сигнальных линий перпендикулярно друг другу. Для надежной работы схемы приемлемый уровень перекрестных помех составляет 5%.
Минимизация внутрисистемных помех достигается зонированием, суть которого сводится к разнесению на плате аналоговых и цифровых элементов, высокочастотных и низкочастотных узлов, а также мощных и сигнальных.
Наиболее часто плоскость заземления разделяют на две зоны (рис.11). В этом случае щель в плоскости заземления полностью прерывает возвратные токи.
Рис. 11. Контур возвратных токов при зонировании аналоговой и цифровой схем
Правильное проектирование печатных плат обеспечивается разнесением потенциальных слоев аналоговых и цифровых схем, т.к. если между ними имеется перекрытие, то образованная между слоями емкость в этой области будет обеспечивать путь для помех из одной части схемы к другой. Важным правилом является расположение электронных компонентов так, чтобы их плоскости заземления и питания были сгруппированы вместе и не перекрывались.
При разработке схем на многослойных печатных платах формируются полосковые линии передач, а также схема распределения электропитания с минимизацией полного сопротивления. Эти достигается последовательным набором полосковых линий, с ориентацией их потенциальными слоями друг к другу. Соседние потенциальные слои запитываются напряжением питания или являются плоскостями заземления. В этом случае образуются планар-ные конденсаторы, минимизирующие на высоких частотах полное сопротивление.
При проектировании жгутов проводов АТС в основном применяются по сути аналогичные принципы повышения помехозащищенности, что и при проектировании печатных плат, но в другой реализации.
Наиболее распространены малозатратные способы, позволяющие уменьшить площадь контура. Основной из них базируется на соблюдении технологии сборки жгутов, где в процессе производства обеспечивается наиболее возможно близкая прокладка между возвратным и прямым проводниками на всей длине трассы. Эффективно применение витой пары. Ее электрические параметры зависят от шага скрутки, и типа проводов [4]. Эффективность витой пары повышается с увеличением числа витков на удельную единицу длины. Ослабление помех неэкранированной витой пары составляет 13-55 дБ.
Разнесение проводов позволяет достаточно эффективно обеспечить ЭМС. Задача заключается в удалении высокочувствительных проводов от цепей, являющихся источниками на максимально возможное расстоянием, чтобы наведенные помехи не оказывали влияние на функционирование бортового электрооборудования.
Трассировку проводов осуществляют в соответствии с их классами. Класс 1 - провода, для передачи очень чувствительных сигналов. Класс 2 - провода, для передачи менее чувствительных сигналов. Класс 3 и класс 4 -провода, несущие слабо и сильно воздействующие сигналы соответственно. Маршруты проводов разносятся согласно их классам. Между каждым классом расстояние задается как можно больше. В соответствии с конструкторскими правилами проектирования [1] разнесение для параллельных проводов должно быть не менее 10 см между соседними классами.
На рис. 12 показан пример неправильного расположения кабелей, вследствие которого были проблемы ЭМС. На приемную антенну АТС на частотах 100-110 МГц наводились внешним излучением с уровнем 40 В/м электромагнитные помехи и распространялись по антенному кабелю. Далее по емкостной связи они переносились на USB кабель флеш-накопителя. Из-за этого нарушалось нормальное функционирование USB порта мультимедийной системы.
Рис. 12. Неоптимальная трассировка кабелей: 1 - мультимедийная система: 2 - USB кабель флеш-накопителя; 3 - антенна; 4 - антенный кабель; 5 - место сближения USB и антенного кабелей
Параметры ЭМС жгутов проводов значительно улучшаются за счет включения нескольких дополнительных возвратных проводников. Данное решение уменьшает площадь контура между прямыми и возвратными проводниками. При расположении дополнительных проводом регулярно по всему жгуту, то показатели ЭМС будут улучшены на 10 дБ до частоты 200 МГц. Оптимальное решение заключается в организации у каждого сигнального или силового проводника одного возвратного. Наиболее рациональным является исполнение, при котором два сигнальных провода разнесены на расстояние за счет установки между ними двух возвратных проводников.
Повышение помехозащищенности жгутов достигается оптимизацией их трассы, которая базируется на основах взаимодействия электромагнитного поля и поверхностей с высокой проводимостью. Согласно решениям уравнений Максвелла электрические линии перпендикулярны металлической поверхности. В местах кузова, где две металические поверхности соединяются с образованием неразвернутого угла, концентрация линий напряженности поля минимальна, т.к. не выполняется условие Ё^ = 0, а где переход выполнен плавным изгибом, там концентрация линий напряженности поля больше, чем в неразвернутом угле (рис.13). Очевидно что на провод не лежащий на ме-талической поверхности будут со всех сторон замыкаются силовые линии поля, в том числе и помех. Отсюда вытекают правила трассировки. Снижение уровня наводимых помех осуществляется прокладкой проводника вдоль плоской проводящей поверхности, что как минимум исключается сектор воздействия поздействия помех 180 град. Более защищены провода и жгуты прокладываемые вдоль углов или в канале.
г) д) е)
Рис. 13. Распределение линий электрического поля на метале: а - неразвернутый угол; б - плавный переход; в - проводник в свободном пространстве; г - проводник на металической поверхности; д - проводник, в неразвернутом угле; е - проводник в канале
В качестве примера на рис.14 представлена оптимальной с позиции ЭМС трехмерная модель трассы жгута. Исследования показывают, что при правильном подходе помехозащищенность увеличивается на 10-20 дБ.
Рис. 14. Оптимальная трасса жгута в кузове АТС
Правильная организация эквипотенциальной поверхности заземления является одним из эффективных решений уменьшения уровня помех. На практике проводники заземления имеют комплексное сопротивление, зависящее от их геометрических размеров и увеличивающееся с возрастанием частоты:
2з , (3)
где Яз и Ьз - активное сопротивление и индуктивность провода.
При прочих равных условиях на высоких частотах существенно влияет индуктивность проводов, и поэтому две разнесенные точки заземления имеют отличающийся потенциал, что определяет проблемы ЭМС.
Заземление осуществляется по одноточечной и многоточечной схемам [5] (рис.15). Одноточечное заземление может быть организовано в виде последовательного и параллельного подключения.
При решении задач ЭМС одноточечную последовательную схему не рекомендуется применять в цепях с большим разбросом потребляемых мощностей, т.к. в каждой точке подключения конкретной схемы напряжение будет отличаться от других. Потенциал зависит не только от сопротивления провода заземления, а также и от потребляемой каждой схемой силы тока.
Блоки электроники Бп°™ электроники
Рис. 15. Схемы заземления: а - одноточечное последовательное; б - одноточечное параллельное;
в - многоточечное
Недостатки последовательной схемы устраняются в параллельной, но к недостаткам относится большое количество проводов. Если какой либо провод заземления соизмерим с длиной волны внешней помехи, то он работает как антенна. Чтобы одноточечное заземление было ЭМС эффективно, следует делать провода не более 1/20 самой короткой длины волны электромагнитной помехи.
На высоких частотах наиболее эффективно работает многоточечная схема заземления вследствии низкой индуктивности трассы, которая по отношению к опорной плоскости делается как можно короче.
Для обеспечения параметров ЭМС применяется схема с разделенными соединениями. Провода или линии заземления организуются по трем типам: сигнальные слаботочные, силовые и корпусные.
Схемотехнические решения.
Схемотехнические ЭМС решения позволяют компенсировать ошибки конструкторов, допущенные при комплексном проектировании системы. Как типовой пример, при высокой помехоэмиссии от источника, обеспечение помехоустойчивости может решиться применением помехозащиты рецептора.
В общем, решения направлены на подавление некоторой области спектра и ограничения амплитуды помех и строятся они на основе пассивных и активных элементов. К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы и индуктивности, а к активным - компоненты с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Все пассивные элементы имеют паразитные составляющие: сопротивление, индуктивность и емкость, из-за чего на высоких частотах их реальные характеристики отличаются от идеальных. Учета паразитных параметров позволяет обеспечить соответствие параметрам ЭМС у АТС.
На основе пассивных элементов проектируются все помехоподавляющие фильтры. Принцип их работы основан на создании преднамеренной неоднородности в волновом сопротивлении линии передачи, отражении энергии или поглощении помехового сигнала. Для обеспечения ЭМС, в подавляющих случаях, применяются Я, Ь и С фильтры нижних частот, основные схемы которых приведены на рис.16. Часто применяются фильтры в однокомпо-нентом исполнении. Часто достаточно применение в цепи только индуктивности или шунтирующей емкости.
R
лЛЛ
RC
VSA-
LC
I- ~Ш1ГТ
JL
RF R*f*r«nc*
RF Re fortnet
RF Ref#r»nc*
Resistive я or 'Pi*
T_X.
RF Rtferenct
Resistive я or "РГ
Т1ШГТ _L_"
RF R*'«r«nc »
Puc. 16. Основные типы простых R, L и С фильтров
Все элементы имеют паразитные параметры. На практике наиболее применимы .RC-фильтры, т.к. они не имеют выраженных резонансов.
Если в схеме из-за опорной плоскости и возвратного проводника может образовываться паразитный контур заземления, и в ней нет связи по постоянному току, то для его исключения применяется трансформатора, обеспечивая гальваническую развязку (рис.17). Для обеспечения гальванической развязки сигнальных линий применяется оптрон или оптопара. Такая линия связи не восприимчива к электромагнитным воздействиям.
Ограничители перенапряжений применяют для уменьшения амплитуды переходных процессов, которые создаются при работе мощного электрооборудования АТС. В схеме они подключаются параллельно защищаемой цепи. Когда напряжения на ограничителе выше порогового уровня, они переключаются с высокого на низкое сопротивление. Наибольшее применение в схемотехнике АТС нашли три основных типа ограничителей напряжения: металлический окисный варистор, лавинный диод и кремниевый управляемый выпрямитель (рис.18).
Resistive Tee inductive Tee
^X^ wrw
JL -X
RF (МММ* RF R«f#rt(Kt
Блок 1 (Схема 1) Блок 2 (Схема 2)
Контур заземления
Блок 1 (Схема 1)
J
Блок 2 (Схема 2)
Схема Na 1
Схеме Na 2
а б в
Рис. 17. Гальваническая развязка: а - контур заземления; б - развязывающий трансформатор; в - оптопара
При проектировании электрооборудования АТС с использованием современной схемотехнической базы для обеспечения помехозащищенности разработаны ряд правил проектирования [6 -9].
1. Выводы питания и заземления должны быть расположены близко друг к другу, т.к. это снизить индуктивность.
2. Увеличение числа соединений и контактов с опорной плоскостью.
3. Применение аналогово-цифровых преобразователей, т.к. цифровой сигнал, имеющий два логических состояния «0» и «1», а также в совокупности с цифровой фильтрацией, более помехозащищен чем аналоговый, имеющий два информативных состояния.
4. Применение компараторов предотвращает ложный переход состояния из-за помех.
5. Использование электронных компонентов с малой входной емкостью.
6. Применение дифференциальных схем, что позволяет сбалансировать информационные линии и подавить синфазные помехи.
7. Использование в электрической схеме усилителей для повышения соотношения сигнал/шум, который устанавливается как можно ближе к источнику усиливаемого сигнала.
8. Нагрузки должны быть согласованными или иметь как можно меньшее сопротивление.
9. Целесообразней применять пассивные фильтры вместо активных, т.к. при воздействии внешнего излучения они могут нарушать свою работоспособность.
10. Обеспечение фильтрации всех внешних межсоединений, предпочтительно с гальванической развязкой.
11. Для обеспечения помехоустойчивости работы схем необходимо применение развязки источников питания.
Конструкционные решения. Данный класс решений включает в себя следующие подходы: разнесение источника и рецептора помех, оптимизация габаритных размеров изделий, использование помехозащищенных конструкций, размещение бортовых изделий в местах с минимальным уровнем воздействия и оптимизация элементов кузова. На практике сложно реализовать наилучшие решения с позиции ЭМС, т.к. это почти всегда вступает в противоречие с другими критериями: эргономикой, ремонтопригодностью, эстетикой, потребительским восприятием и экономической целесообразностью. Однако при обоснованном подходе они позволяют во многих случаях решить проблемы ЭМС.
При разнесении в АТС источника и рецептора помех влияние минимизируется за счет уменьшения электромагнитного поля с расстоянием. Мощные источники или потенциальные переизлучатели располагаются как можно дальше от сигнальных, информационных или слаботочных цепей. Пример подобного рода ЭМС проблем рассмотрен в [1], где антенный кабель проходил рядом с кабелем USB мультимедийной системы. Помехи, наведенные на радиоприемную антенну АТС, перенаводились на USB кабель и нарушали работоспособность USB порта. ЭМС проблема решается при разнесении на расстояние антенного и USB входов (рис.19). Данное правило необходимо соблюдать по отношению к бортовым передатчикам, одним из которых является ЭРА ГЛОНАСС с модулем GSM.
Оптимизация габаритных размеров изделий является многокритериальной задачей. Необходимо учитывать много факторов, например, массогабаритные размеры, особенности компоновка, стойкость к механическим воздействиям и т.п. С позиции ЭМС минимизация размеров изделия за счет применения современных интегральных микросхем позволяет уменьшить площадь воздействия электромагнитных помех. Однако при очень плотном монтаже элементов высок риск невыполнения ЭМС правил проектирования схем на печатных платах. Поэтому размеры изделия должны задаваться в конструкторской документации с учетом параметров помехоустойчивости.
Помехозащищенные конструкции изначально наиболее рационально применять для оборудования, которое высокочувствительно к электромагнитным помехам или является их мощным источником. Решения выбираются на основании анализа рассматриваемых систем, выполняющих заданный функционал, но отличающихся по конструктивному исполнению. Наиболее очевидным и наглядным примером является экранирование. Другим примером является реализация электромеханического усилителя рулевого управления на базе безколлекторного электродвигателя (рис.20).
Не оптимально
Рис. 19. Взаимное расположение антенного входа радиоприемника и USB порта мультимедийной системы:
1 - USB порт; 2 - антенный вход
Рис. 20. Помехозащищенные конструкции: а - контроллер системы управления двигателем; б - электромеханический усилитель рулевого управления с безколлекторным двигателем
Размещение бортовых изделий в местах с минимальным уровнем воздействия базируется на особенностях распределения электромагнитных волн в пространстве. На любой металлический элемент, например, корпус, провода жгутов, печатную плату, происходит замыкание электрических линий поля, а контура являются магнитными антеннами. При размещении устройства в свободной области пространства силовые линии поля воздействуют на него во всей окружающей его сфере. Суть решений заключается в компоновке изделий в местах с наименьшим количеством силовых линий. Наиболее оптимальным расположением блоков является внутренняя поверхность кузова, потому что исключается телесный сектор воздействия 180°. На рис.21 представлен пример компоновки контроллера системы управления двигателем в АТС.
Рис. 21. Расположение контроллера системы управления двигателем в подкапотном пространстве АТС:
а - в пространстве капота; б - на кузове
Оптимизация элементов кузова. АТС является сложной широкополосной антенной. Через отверстия и щели, обладающие определенными радиочастотными характеристиками, проникает электромагнитное поле. Меняя их взаимную ориентацию или конфигурацию уже на начальном этапе проекта можно заложить более высокие параметры помехоустойчивости АТС. Например, ориентация щели капота, определяет направление основного лепестка диаграммы направленности (рис.22) и при вертикальной ее ориентации минимизируется основное горизонтальное направление действия помех.
щель плот
Рис. 22. Диаграммы направленности щели капота АТС в горизонтальной плоскости (схематично)
Наилучшие характеристики помехозащищенности достигаются при комбинированном применении различных решений. Например, типовым является сочетание конструкционных и схемотехнических решений, таких как совместное использование экранирования и фильтрации, или применение проходных фильтров. На рис.23 приведен пример использования проходных конденсаторов на печатной плате совместно с экраном. Конденсатор расположен на печатной плате так, чтобы его вход и выход были разделены стенкой экраном, а вывод заземления припаян плоскости заземления.
8се неокранироваиные трассы вводятся в окран через фильтры, терминалы которым симметричны стенки экрана, а центральный терминал треквыводных фильтров припаивается к защитной трассе
Расстояние между точками соединения экран и защитной трассы должно быть не менее 50 мм * (не) длительности фронта или Л/20 для самой высокой частоты в спектре сигнала
Рис. 23. Пример установки проходных фильтров совместно с экраном
По результатам обзора существующих решений предлагается ввести классификацию методов защиты АТС, по принципу действия: пассивные и активные. Пассивные имеют некоторую постоянную помехозащиты, характеризующую ослабление электромагнитного воздействия. Сюда относятся схемотехнические, конструкционные, топологические и часть информационных решений. Активные методы базируются на информационных решениях, в основе которых положены алгоритмы самонастраивания.
В части комплексной защиты от электромагнитного воздействия как активные, так и пассивные методы имеют большие перспективы развития.
Список литературы
1. Николаев П.А., Кечиев Л.Н. Электромагнитная совместимость автотранспортных средств. М.: Грифон,
2015. 424 с.
2. Ховах М.С., Маслов Г.С. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1971. 456 с.
3. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО издательский дом «Технологии», 2007. 660 с.
4. SAE J1939-15. SAE aug2008. Reduced Physical Layer, 250K bits/sec, UN-Shielded Twisted Pair (UTP),
2008. 20 p.
5. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. / Под редакцией М.В. Гальперина. М.: Мир. 1979. С. 317.
6. Armstrong K. Advanced PCB design and Layout for EMC. Part 6. Transmission Lines. 3rd. EMC & Compliance Journal. 2001. № 58. P. 1-30.
7. Джонсон Г., Грэхем М. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. 624 с.
8. Armstrong K. Design Techniques for EMC Part 3 - Filtering and Suppressing Transients. EMC&Compliance Journal. 2006. № 66. P. 34-44.
9. Armstrong K. Design Techniques for EMC. Part 5 - Printed Circuit Board (PCB) Design and Layout. EMC & Compliance Journal. 2007. № 73. P. 34-42.
Подгорний Александр Сергеевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Николаев Павел Александрович, д-р техн. наук, начальник лаборатории электромагнитной совместимости, [email protected]. Россия, Тольятти, АО «АВТОВАЗ»,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, vasin [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
ENSURING ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF MODERN PASSENGER CARS A.S. Podgorny, P.A. Nikolaev, V.N. Kozlovsky, S. A. Vasin
The article presents the results of the development and implementation of a set of standard solutions used to ensure the electromagnetic compatibility of vehicles.
Key words: motor vehicle, on-board electrical complex, electromagnetic compatibility.
Podgorny Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, senior researcher, [email protected]. Russia, Samara, Samara State Technical University,
Nikolaev Pavel Alexandrovich, doctor of technical sciences, head of the laboratory of electromagnetic compatibility, [email protected], Russia, Togliatti, AVTOVAZ JSC,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-383-384
ЛИНЕАРИЗОВАННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА ПРИ НЕЗАВИСИМО УПРАВЛЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯМИ ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ МАГНИТОВ
В.Д. Костюков, А.В. Стариков, В.Н. Козловский, О.В. Пантюхин
В статье поставлена задача определения линеаризованной математической модели электромагнитного подшипника, пригодной для случая независимого управления напряжениями противоположных магнитов. С этой целью рассмотрена система нелинейных уравнений движения ротора в поле электромагнитов.
Ключевые слова: электромагнитный подшипник, линеаризованная математическая модель, передаточная функция, независимое управление.
Электромагнитные подшипники находят применение в различных областях техники для бесконтактного подвеса ротора в магнитном поле. Примером могут служить нагнетатели газоперекачивающих агрегатов и высокоскоростные шпиндели с магнитным подвесом ротора [1 - 4]. Отличительными особенностями электромагнитного подшипника как объекта управления является его принципиальная неустойчивость, вызванная наличием положительной обратной связи, и нестационарность, определяемая переменностью параметров как в функции перемещения ротора, так и в зависимости от величины управляющего сигнала. Поэтому работоспособность и показатели качества электромагнитного подшипника обеспечиваются структурным построением системы управления и методикой параметрического синтеза регуляторов. Выбор структурного построения системы управления и выбор типа и параметров регуляторов, как правило, осуществляется на базе линеаризованной математической модели объекта, которым в данным случае является электромагнитный подшипник.
Известна линеаризованная математическая модель одной оси электромагнитного подшипника, например У (рис. 1), которая описывается передаточной функцией [5]
W (p)-AlI-_k°> (b°p + ')
оу \Г J
Ny (p) a0P4 + aP3 + a2P2 + a3P - 1
m
где k - kШИМ кэМ U (12°R2 + 14°R4 ) ; b - 12° (^2 + ^2 ) + 140 (R4T4 + L24 ) ; a° - _
оу kRR, ((° + /4°)2 ° ^°R2 + 14°R4 kF
m(T2 + T4). - m kЭМ [/2° (kE4R2T2 + kE2L42 ) + /4° (kE2R4T4 + kE4L24 )]
(1)
( L L Л
TT ^24 42 2 4
V R2 R4
- — + ^-^ -/-- V - ----24 L42 -r T .
2 , + , 42 „ „ 2 4
kF kF k R R (/ + / ) R2R4
F F h-f1 T4\J2r '4^ 2 4
