轮式装载机电磁兼容设计探讨

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轮式装载机是-种使用广泛的土石方施工机械。随着电控技术的长足进步，轮式装载机的自动化已成为目前的发展趋势。部分生产厂商为在今后的竞争中取得主动地位 ，已加快了装载机的电控技术应用研究，以期提高装载机的节能效果 、作业效能和可靠性指标 ，从而提升整机的技术优势。电控自动化程度越高对电磁兼容性能要求也越高，本文结合常见电磁兼容问题对轮式装载机的电磁兼容设计进行探讨。

1 电磁兼容基本概念国标 GB/4765-1995电磁兼容术语》对电磁兼容”的定义是设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。国军标 GJB72-85《电磁干扰和电磁兼容名词术语》中对电磁兼容”的定义为设备在共同的电磁环境中能-起执行各 自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同-电磁环境中其他设备的电磁发射导致不允许的降级；也不会使同-电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不允许的降级”。

电磁兼 容 (EMC)的全称是 ElectromagneticCompatibility，也称为电磁兼容性。电磁兼容包含两- 58- 个方面的概念：-是该设备应能在-定的电磁环境下正常工作，即具备-定的电磁抗扰度(Electromag-netic Susceptibility，EMS)；二是该设备自身产生的电磁骚扰不能对其他电子产品产生过大的影响，即电磁骚扰(Electromagnetic interference，EMI)。电磁兼容(EMC)是对电子产品在电磁场方面干扰大小(EMI)和抗干扰能力(EMS)的综合评定，是产品质量最重要的指标之-。

电磁兼容技术是-门综合性学科 ，主要研究如何使在同-电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，将电磁骚扰的后果降到较低程度，达到兼容状态。电磁兼容问题的三要素是电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备，所有电磁兼容问题都是由这 3个因素组合产生的，其构成如图 1所示。因此在解决某个电磁兼容问题时，只要从这 3个因素人手，进行有效整改，消除或减弱其中某-个因素，就能解决该电磁兼容问题。

图 1 电磁兼容问题的三要素2 轮式装载机的电磁兼容问题CE认证被视为轮式装载机进入欧洲市场的护照。根据有关规定，工程机械除需满足低电压指令(LVD)、机械指令(MD)和噪声指令(ND)外，还需满足电磁兼容指令(EMC)的要求。1996年，欧盟 EMC指令(89/336/EEC)正式实施 ，使得各国开始从商业贸易的角度关注 EMC。经过多次修订，欧盟于 2004年 12月 15 日颁 布 了最 新 版 电磁 兼 容 指 令2004/108/EC，该指令中所指的设备，包含所有易于产生电磁骚扰的设备，或是本身的功能易受电磁骚扰所影响的设备。

轮式装载机作为我国工程机械出口欧洲市场的主力军，必须考虑整机产品的电磁兼容性问题。

如果产品定型前未考虑电磁兼容性问题 ，定型后为满足电磁兼容指令不得不对原产品进行电磁兼容整改时，由图2可知，产品定型后期的 EMC改进成本相当高，而能采取的措施又很少f1，带来的后果是整改无法通过，或者是整改后产品利润接近于 0。

桀餐妊图 2 EMC措施与成本对照图目前轮式装载机的几个主要电磁骚扰源如下。

2.1 雨刮电机雨刮电机在工作过程中产生强度较高且频带很宽的电磁骚扰。由于很多电子控制器的 CPU工作电压降低到 3.3 V，逻辑电平较低，使得雨刮电机对电子控制器的耦合干扰大幅增加。干扰导致部分电子控制器复位或通信紊乱。因此雨刮器往往成为EMC整改的首要对象。

2.2 发电机和启动电机由于发电机定子绕组中所感应的三相交流电通过二极管整流为脉动直流电，但二级管组成的整流器不是线性设备，工作时会产生大量的干扰，而直流侧的EMI通过公共电源线影响整车电气系统的正常工作 ；同时发电机配置的电压调节器，若采用断电时调节会在磁场中引起自感电动势，也形成EMI。发电机因电缆接触不良等会产生抛负载，产生瞬间高压，损坏电子控制器等 ECU。

启动电机尽管工作时间短，但在启动瞬间电流很大，产生较强的电磁骚扰，同时会导致电源电压低于正常工作电压，使电子控制器复位。

2.3 继电器和比例阀目前，轮式装载机大量使用继电器和电磁阀作为连接电子设备和机械设备的接口。由于继电器和电磁阀均为感性负载，在线圈断开瞬间，线圈两端以及导线上都会产生浪涌电压和衰减高频振荡。而且在线圈接通时，铁芯尚未闭合，电感量较小，产生的冲击电流是稳态电流的6～10倍[21，影响电子控制器的正常工作。

脉宽调制信号 (Pulse Width Modulation，PWM)作为理想的控制信号驱动比例电磁阀的同时，也对整车电磁环境产生较大影响，除影响参数采集外 ，还对通讯等弱信号产生较大的 EMI。轮式装载机电磁骚扰中的耦合途径主要包括传导耦合和辐射耦合，其中传导耦合是主要耦合途径 ；敏感设备包括收音机、仪表、GPS以及电子控制器等。

根据上述分析，产品定型后进行 EMC改进主要从电磁骚扰源和耦合途径进行整改。由于产品已经定型，整改有-定的效果但是并不理想。

3 轮式装载机的电磁兼容设计由图 2可知 ，在产品设计阶段 ，解决 EMC的成本最低，可采用的措施最多。因此在新产品开发时，就应将 EMC纳入产品的总体方案，并在整个流程中全程考虑。如涉及销售的目标市场，以及需要满足的标准法规要求，同时注意后续潜在 目标市场的EMC标准和法规的要求。基于以上对产品的 EMC标准法规的要求提出产品的总体 EMC设计框图，并详细制定产品 EMC设计总体方案。以下几点是电磁兼容设计的-些建议。

3.1 系统EMC设计轮式装载机的 EMC问题不可能通过整改的方式解决，必须通过系统设计的方式来降低 EMC问题，达到符合标准的要求[31。如开展系统的屏蔽设计，- 59- 电子控制器的合理布局及电气线路走线布局等。

在这个阶段 ，产品研发人员提出 EMC总体方案，并由专门的EMC工程师依据方案进行过程把关检查。在产品开发流程初期 ，通过系统设计的方式解决 EMC问题是最优选择。

3.2 提升电子控制器的EMC电子控制器的 EMC问题作为零部件选型门槛，应给出相应的门限指标，符合要求才允许使用。

对于电子控制器的 EMC问题主要从电路设计 、印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的电磁兼容设计方面进行解决问，目前已有很多文献资料阐述，此处不再赘述。

3-3 接地设计接地的目的是防止电击和去除干扰。通秤地分为信号接地和安全接地。-般轮式装载机为 24 V系统，安全性不存在问题 ，而混合动力轮式装载机存在400 V以上的高压，安全问题突出，需要着重考虑∮地线除提供 ECU参考基准地之外，同时还可以大量消除电磁噪声的干扰。由于电磁噪声本身的特性，考虑接地时有不同的处理方法 ，如等电位参考点或参考平面都能给信号回流提供较低的阻抗通道，因此信号质量的优劣在很大程度上依赖于信号的接地质量。

受接地材料本身特性和其他技术因素的影响，接地导体的连接或搭接总有-定的阻抗，信号的回流会在工作地线上产生电压降，形成地纹波 ，对信号质量产生影响。高频电信号幅值越小，这种影响就越严重。因此在设计中最大限度地降低工作接地导体的阻抗是非常重要的。

通常信号接地有单点接地、多点接地和复合接地等 3种。由于轮式装载机采用铰接式结构翻，同时柴油机采用避振设计，与车架不是刚性连接 ，因此采用复合接地的方式比较合适，如图 3所示。

电源电源地 数宁地 模拟地接地点 (电瓶负极 )图3 复合接地示意图- 60- 条其中发动机与车架的地信号连接，建议采用扁平铜网线连接。扁平铜网线的金属面要足够宽，连接点必须清洁，不得有油漆或其他杂物，搭接完成后，可涂以油漆或加以其他防蚀措施。此外搭接时应考虑不同金属间的电化效应，并应尽量减少接触柴油、盐水等，避免导线腐蚀。各分支地线采用冷压接的方式连接，不建议采用焊接的方式连接。所有的地线应旧能缩短，同时避免出现接地环路。

3.4 电气线路优化设计由于轮式装载机电气线缆采用捆绑的方式做成线束并布置在驾驶室内饰和车架上，电源线中的瞬变电压或电流会耦合到信号线中，对电子设备产生影响。在实际设计中应区分电子设备是电磁骚扰源还是敏感设备 ，通过合理布局，优化走线方式来降低整机的电磁兼容问题。不足之处在于线路成本会略有增加。

4 结束语轮式装载机的电磁兼容问题越来越值得我们关注，既要满足电磁兼容标准的要求，又要实现电子设备的功能和可靠性；既要对电磁骚扰源进行抑制，又要提高敏感设备的抗干扰能力。只有站在系统的立场上全面考虑产品的电磁兼容问题才是正确的选择。如果单纯对电磁兼容某-方面提出过高要求，可能导致人力、物力和时间上的浪费，有时甚至是无法实现的。