（机械电子工程专业论文）基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究.pdf

摘要 i l 吣y 1 2 1 1 m 0 眦6 眦8 眦叭0 眦5 悄5 眦 车载系统作为一个复杂的电子系统，其电磁兼容问题异常突出，因而针对车 载系统电磁兼容问题的故障诊断显得尤为重要。由于整体系统结构复杂、影响因 素较多、各个子系统之间关系密集，所以，对于较复杂问题的故障诊断需要结合 一些特定的故障诊断方法才能满足实际的使用要求。 本文以车载系统电磁兼容问题为研究目标，依据建立故障树的原则，确定系 统上装电台故障受扰为顶事件，再根据电磁兼容三要素分析方法将车载系统内部 传导干扰和辐射干扰进行逐一细分，分别找出此故障树的中间事件和底事件，并 由逻辑关系建立电磁干扰故障树；接着运用布尔算法求出产生干扰的最d , - 害e j 集， 结合工程经验及实际情况给出发生故障的底事件的概率将各种最小割集进行优 化，得出最有可能发生电磁干扰的最小割集；最后依据最小割集和各个中间环节 的分析结果进行相应的故障诊断。这种方法，在工程上大大减少测试过程，缩短 设计周期，使分析出的结果更有价值、可靠，并且一目了然，提高电磁兼容故障 诊断的效率。 本文将故障树这一方法应用到电磁兼容诊断中，为电磁兼容诊断提供了一种 切实可行的理论依据和方法；最后结合实际的工程经验，为电磁兼容故障分析提 供了较为明确清晰的分析结果。 关键字：电磁兼容故障树底事件干扰概率车载系统 a b s t r a c t a sac o m p l e xe l e c t r o n i cs y s t e m ，v e h i c l es y s t e mh a s 觚e x t r e m e l yp r o m i n e n t p r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt oc a r r yo u tt h ef a u l t d i a g n o s i sf o rt h i sp r o b l e m d u et ot h ec o m p l e x i t ys t r u c t u r e so fs y s t e m ，t h eg r e a tn u m b e r o fi m p a c tf a c t o r sa n dt h ed e n s er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n d i v i d u a ls u b s y s t e m s ，s ot h e d i a g n o s i so ft h ef a u l tf o rm o r ec o m p l e xp r o b l e m sr e q u i r eac o m b i n a t i o no fs o m e s p e c i f i cf a u l td i a g n o s i sm e t h o di no r d e rt om e e tt h ea c t u a lu s er e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fv e h i c l es y s t e mi st h er e s e a r c h o b j e c t i v e b a s eo nt h ep r i n c i p l e so ff a u l tt r e ee s t a b l i s h m e n t , f a u l td i s t u r b e do ft h e s y s t e mw i t h i nar a d i oi st h et o pe v e n t t h ec o n d u c t e di n t e r f e r e n c ea n dr a d i a t e d i n t e r f e r e n c ei nv e h i c l es y s t e mc a nb es u b c l a s sa c c o r d i n gt ot h et h r e ee l e m e n t so fe m c a n a l y s i sm e t h o d r e s p e c t i v e l yf i n dm i d d l ee v e n ta n db a s i ce v e n to ft h ef a u l tt r e e ，a n d e s t a b l i s he l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef a u l tt r e eb yl o g i cr e l a t i o n s h i p u s i n gb o o l e a n a l g o r i t h mt of i n dt h em i n i m a lc u ts e t so fi n t e r f e r e n c e ，o p t i m i z et h ec u ts e t sb yc o m b i n g 、析mw o r ke x p e r i e n c ea n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ef a i l e dp r o b a b i l i t yo ft h ee n de v e n t , a n dt h em o s tl i k e l ym i n i m a lc u ts e t so fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ew o u l db eg o t f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h em i n i m a lc u ts e t sa n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sf o re a c hi n t e r m e d i a t e l i n k s ，t h ef a u l td i a g n o s i sc a nb ec a r r y i n go u t t h i sa p p r o a c hs i g n i f i c a n t l yr e d u c e st e s t i n g o nt h ep r o j e c tp r o c e s s ，s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e ，m a k i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t st h a ta r e m o r ev a l u a b l e ，r e l i a b l ea n dc l e a r , i n c r e a s et h e e f f i c i e n c yo ff a u l td i a g n o s i s f o r e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y t h ef a u l tt r e em e t h o da p p l i e dt ot h ed i a g n o s i so fe m ci nt h i sp a p e r , i tp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o re l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd i a g n o s t i c s f i n a l l y , c o m b i n e dw i t l lp r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i e n c eo rh u g ea m o u n t so fd a t a , e m c f a i l u r ea n a l y s i sg e tam o r ec l e a ra n dp r e c i s ea n a l y t i c a lr e s u l t s k e y w o r d s ：e m c f a u l t t r e eb a s i c - e v e n ti n t e r f e r e n c ef r e q u e n c yv e h i c u l a r s y s t e m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 车载系统的电磁兼容概述 车载系统是一个复杂的电子系统，随着电子技术的迅速发展，对其电子设备 的电磁兼容性的要求也越来越高。而车载通信系统又具有工作频带宽、收发设备 频带错综交叠、发射设备发射功率大、接收设备灵敏度高、天线数量多等特点， 使得电磁兼容问题变得异常复杂，电磁兼容成为其研制成败的关键技术，也是关 系其安全的重要因素之一。世界各国对电磁兼容技术均十分重视，纷纷成立研究 机构，解决大型信息装备研发和使用中的电磁兼容问题【l 】o 同时，对于车载通信系统来说，若干类型的单车系统又可以组成一个庞大的、 复杂的多车集群系统，构成静止状态的有线与无线通信互连局域网、运动状态的 无线通信互连局域网，其通信网内可以有h f 电台、v h f 电台、u h f 电台、手机 等移动手提电话、卫星通讯设备等各类无线设备近百部，致使电磁环境已经较恶 劣的有限空间内，有限频带内工作频率高度密集、单位体积内的电磁功率密度急 剧增大，电磁环境更为恶化，再加上各车内高低电平器件或装置的混合使用，特 别是当众多设备都拥挤在有限空间内时，电磁环境更加复杂，大部分天线系统需 要同步工作。对于工作在不同频带的天线，任何一副天线的高功率输出都会产生 干扰、减敏和烧毁。而且电磁干扰有可能使设备工作失常，使计算机程序出错或 丢失数据。强电磁场的辐射还将危及工作人员及电引爆武器燃油区域的安全，使 车辆不能完成预期的任务。车载系统的电磁兼容性已成为影响工作能力的一个重 要因素。 电磁干扰的分类方法很多，如按途径可分为传导干扰和辐射干扰；按干扰源 的性质可分为自然干扰和人为干扰；按频带可分为窄带干扰和宽带干扰1 2 1 。整个系 统中的无线设备所使用的频段在多处出现重合现象，往往导致邻道电磁干扰，再 考虑到设备间谐波、互调等干扰现象。对于大功率h f 电台，由于其频率范围相对 狭窄，所产生的同频、临道干扰，以及对v h f 电台的谐波干扰都是普遍存在的电 磁兼容性问题【3 j 。 在车载通信系统的电磁兼容性分析过程中，可能受到干扰，互为潜在的干扰 源和敏感设备，情况十分复杂。但根据电台的功率、频率以及电磁波的传输特性， 可以确定，在车载无线通信设备中，h f 电台、v i - i f 电台是最主要的干扰源，也是 最主要的敏感设备；而其他天线布局对无线设备的干扰耦合影响较小。因此，研 究辐射干扰的问题应由构成辐射干扰的三要素来考虑，辐射干扰源向外辐射能量 2 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 的特性，如方向性、极化、调制特性、带宽等；辐射干扰传播通道，即介质( 包括 自由空间) 对电磁波能量的损耗程度；辐射干扰接收机的敏感度、方向性、极化、 选择性、带宽等。在车载通信系统中，通常以线天线作为h f 电台和v h f 电台的 电磁能量的发射和接收端口，因而天线间的辐射干扰就成为车载通信系统的重点 问题。同时对作为辐射耦合通道的空间环境的传播特性研究，也是研究车际间的 电磁辐射干扰问题的一个关键。 当通信系统或设备发生干扰故障时，怎样对它进行快速的诊断，首先进行故 障定位，寻找故障原因，再对其进行故障机理分析，彻底了解故障机理，并对故 障进行修复和提高，才能完全解决故障问题。因此，对故障处理要求定位准确、 机理清楚。对于干扰故障的诊断可以采用很多方法，包括排除法，故障综合和试 探法，或者对引起故障的信号探测和追踪等方法，本文详细论述了采用故障树分 析方法对系统的电磁干扰故障进行分析，以利于解决车载通信系统的电磁兼容性 问题。 1 2 故障树概述 故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，按照g j b 4 5 1 - 9 0 的规定，故 障树是用以表明产品那些组成部分的故障模式或外界事件或它们的组合将导致产 品发生一种给定的故障模式的逻辑图【4 l 。故障树模型是一个基于研究对象结构、功 能特征的行为模型，是一种定性的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以 可能导致顶事件发生的其他事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间 关联的一种倒树状结构的逻辑图。它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系 统中各种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事的“因”，逻辑门的输出 事件是输入事件的“果”。 故障树包含很多种类，如二状态故障树、多状态故障树、规范化故障树、正 规故树、非正规故障树、对偶故障树以及成功树等。它们用到的事件符号和逻辑 门符合各相同。规范化故障树仅含有底事件、结果事件以及与门、或门非门三种 逻辑门。正规故障树在只有故障事件以及与门和或门两种逻辑门。而求解最小割 集时，都需要把各类故障树转换为正规故障树，所以论文采取正规故障树，在建 立故障树时，直接建立为正故障树，这样便于分析。 故障树分析方法，简称f t a ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) ，它是1 9 6 1 年由贝尔实验室 的w a t s o n 首先提出的。故障树分析法是一种图形演绎方法，以故障模型式影响与 后果分析法为基础，对故障系统形成的原因采用从整体至局部按树枝状逐渐细化 分析，对可能造成系统故障的各种因素包括硬件、软件、环境、人为因素进行分 析，画出逻辑图即故障树，表达了系统故障事件的内在联系【5 j 。提出了单元故障之 第一章绪论3 间的逻辑关系，再对系统中发生的故障事件，做出由总体至部分按树状逐级细化 的分析，从而判明基本故障，确定故障原因的各种可能组合方式和其发生概率的 一种分析方式。它从系统开始，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的 分枝图，来分析故障事件( 又称顶端事件) 发生的概率。同时也可以用来分析零 件、部件或子系统故障对系统故障的影响，其中包括人为因素和环境条件等在内。 这种方法是一种安全性与可靠性分析技术，对于系统故障的预测、预防、分析和 控制效果显著。基于故障树分析的故障诊断技术在系统安全性分析和可靠性分析 方法中有着广泛的应用，是一种简单可靠而又行之有效的系统故障诊断方法，目 前已广泛应用于宇航、核能、电子、机械、化工、采矿等领域t 6 - 7 1 。 故障树分析法可对系统或部件的故障进行预测和诊断，分析系统的薄弱环节， 完成系统的最优化。故障树分析法适应于各种不同复杂程度问题的分析，具有多 功能适应性，它用逻辑推断的途径和以演绎的方式直接寻找出系统的故障原因， 不仅能分析硬件的影响，还能分析人为因素、环境因素及软件的影响；不仅能反 映单元故障对设备的影响，而且，能反映几个单元故障组合对设备的影响，还能 把这种影响的中间过程用故障树清楚地表示出来，故障树分析是系统安全性和可 靠性分析的工具之一。在产品设计阶段，故障树分析可以帮助判明潜在的系统故 障模式和灾难性危险因素，发现可靠性和安全性薄弱环节，以便改进设计【8 】o 在生 产、使用阶段，故障树可以帮助故障诊断，改进使用维修方案。故障树分析也是 事故调查的一种有效手段。 随着设备的故障诊断工作日益得到重视，许多军用和民用装备都在产品中加 入了不同规模的故障诊断系统，关于故障诊断的理论研究也正方兴未艾，在此过 程中，包括模糊、自适应、灰箱、互相关法、虚拟诊断、神经网络乃奎人工智能 等理论在故障诊断系统中的应用研究大量出现，但综观已经进行工程应用的故障 诊断系统，绝大部分还是以故障树理论为基础进行的构建和设计。事实上，对于 一个系统而言，一切故障诊断都必然要先经过某种程度的故障树分析。故障树分 析是故障诊断系统的基础，也是现有故障诊断技术最有效、最基本的手段。 基于故障树分析的故障诊断方法在实际故障诊断中有着广泛的应用，特别是 近几年随着计算机技术的逐步成熟和计算机应用的普及，使得故障树分析法具有 更广阔的市场空间。对基于故障树分析的故障诊断的理论研究也逐渐趋于成熟， 故障树分析法、失效模式、影响用致命度分析法等各种可靠性软件已经开始走出 实验室，并从单一功能软件向网络化和专家系统、人工智能方向发展，向傻瓜化、 商品化方向发展。目前，故障树分析法已被国内外广泛应用于宇航、航空、核能、 电子、化工、机械等行业，有着广泛的发展前景。 ，- 4 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 1 3 本论文主要工作 车载通信系统作为一个复杂的电子系统，其电磁环境非常复杂，对电磁兼容 性的要求非常高，控制和消除其电磁干扰，使整体车载通信系统中设备联系在一 起工作时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低，是一项十分 复杂困难的工作。论文针对车载通信系统的特点，提出了一种分析干扰故障的新 方法，即故障树诊断法，论文根据车载通信系统的干扰特点，依据建立故障树的 原则，确定系统干扰故障电台受扰为顶事件，再根据电磁干扰三要素将传导干扰 和辐射干扰进行逐一细分，分别找出各种中间事件和底事件，即找出可能引起系 统电磁干扰的间接原因和根本原因，由逻辑关系建立电磁干扰故障树，运用布尔 算法求出产生干扰的最小割集，结合工程经验及实际情况给出发生故障的底事件 的概率将各种最小割集进行优化，得出最有可能发生电磁干扰的最小割集，在工 程上大大减少测试过程，缩短设计周期，使分析出的结果更有价值、可靠，并且 一目了然，提高电磁兼容设计效率。其整体的流程如图1 1 所示。 故障树顶事件 i 根据电磁兼容三要素分析各 种有可能引起顶事件的 中问事件 1 分析每个中间事件的底事件 l 根据经验及相关资科得每个 底事件的概率 i 根据布尔算法计算最小割集 及中间事件、顶事件的概率 图1 1 故障树分析整体流程图 各章具体研究内容如下： 第一章：绪论。对车载系统电磁兼容问题的情况及故障树概念的研究背景及 国内外相关领域的研究现状进行了简要介绍。 第二章：车载系统电磁兼容电气特性。研究了车载系统通信及底盘部分的组 成概述；提出了电磁兼容故障诊断方法。 第三章：故障树建模方法。首先，研究了故障树和故障树分析的基本概念和 故障树分析方法；其次，研究了电磁兼容性故障树各个系统级的特点及故障机理 排除方法；最后，分别研究了传导、辐射干扰故障树的建立与分析以及故障树底 第一章绪论 事件、顶事件故障概率的计算和基于电磁兼容性故障机理排除法。 第四章：基于故障树的车载系统电磁干扰故障诊断。在本章中以车载系统电 磁兼容性故障为例，研究了车载系统的电磁干扰源、电磁兼容的耦合途径和车载 系统故障树的建立，并对故障树进行概率计算，简化故障树找出最易引起电磁兼 容性故障的最d , 害- i i 集并对结果进行了讨论和分析。 6基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 第二章车载电气系统电磁兼容特性 7 第二章车载电气系统电磁兼容特性 电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平 的不断增加，也就是说，电子设备不可避免地在电磁环境中工作；因此，必须解 决电子设备在电磁环境中的适应能力；也就是研究控制和消除电磁干扰，使电子 设备或系统与其它设备联系在一起工作时，不引起设备或系统的任何部分的工作 性能的恶化或降低，这就要求首先掌握电磁干扰的传播机理，以及研究车载系统 相关的干扰特质。 2 1 车载电气系统的组成 对于一般的车载系统，根据其实际的使用功能可分为车载通信系统、车载底 盘系统等。本文中主要研究的目标为车载上装电台受扰的情形，而对于一般情形 下，其受扰主要来源于车载底盘电气系统和车载通信系统两部分的综合干扰；本 小节对于这两部分的组成进行简要的研究。 2 1 1 车载通信系统组成概述 2 1 1 1 车载上装电台系统 为适应现代战争的需要，世界各国的军队都力图实现其野战通信车综合化、 标准化、通用化和序列化，而且将综合化作为减少通信车数量，提高通信车效率、 降低通信组织复杂度的主要措施。其中多部、多种模式战术电台综合装车，共址 配置使用就是其重点发展方向之一。所谓的共址配置即在同一个车载上装平台上 高度集成了多种不同的通信设备，来满足各种功能性使用的现代车载通信系统。 目前，典型通信车上装的无线设备，主要有v h f 电台、h f 电台、高速数据 电台以及卫星通信设备等。图2 1 是德国某型号装甲指挥通信车，它上装的主要无 线设备有：三部v h f 电台、一部h f 电台和一部数据电台等。这将使得系统内部 的电磁环境效应变得异常复杂。 同时考虑到电台的不同工作模式，例如，h f 电台有普通定频和跳频工作模式： v h f 也分为普通定频工作和跳频工作模式：高速数据电台采用的是直接序列扩频 模式。根据其工作频段的不同，一对收发信机间潜在的干扰及工作模式组合如表 2 1 所示。 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 图2 1 某型号装甲通信车 表2 1 潜在的干扰工作模式组合 干扰设备敏感设备干扰类型干扰模式组合频段范围( m h z ) 基波干扰、谐波干扰、 定频定频 h f 电台 h f 电台互调干扰、交调干扰、 定频跳频 2 3 0 跳频定频 邻道干扰 跳频一跳频 基波干扰、谐波干扰、 定频一定频 i - i f 电台 v h f 电台互调干扰、交调干扰、 定频一跳频 3 0 _ 一8 8 邻道干扰 定频定频 基波干扰、谐波干扰、定频跳频 疆电台f 电台3 0 8 8 互调干扰、邻道干扰跳频定频 跳频跳频 基波干扰、谐波干扰、 f 电台数据电台定频直扩 邻道干扰 基波干扰、谐波干扰、 数据电台 数据电台定频直扩 互调干扰、邻道干扰 2 1 1 2 车载上装总线系统 随着现代通信与电子信息技术的发展，车载通信系统日益向高精度、高可靠 性、高灵敏度、高密度、宽频带、大功率以及复杂化的方向发展，车内电子设备 日益增多，设备的工作频率也越来越高。互连系统作为车载系统电子设备的主要 通信方式，其传输的可靠性和安全性也会严重影响车载通信系统的整体性能。大 量的理论及工程实践表明，互连系统是现代车载通信系统中最为薄弱的环节之一。 现代互连系统已经大量采用广义总线技术。传统的总线由协议、接口以及传 输介质组成，其线介质类型和信号特征都有一定的标准。相对于传统的总线，广 义总线没有固定的协议，只要在满足传输要求的条件下，能够在其介质上传输所 第二章车载电气系统电磁兼容特性 9 需的信号即可。车载通信系统广义总线一般可以划分为三类：数据总线、射频总 线和电源总线。数据总线主要为传统总线，如c a n 总线、u s b 总线、r j 4 5 总线 等；射频总线用于传输射频信号；电源总线用于向车内各设备供电。 总线技术的广泛采用不仅很大程度上提高了系统间各个模块间的传输通信效 率，而且方便铺设，易于布线，使维护和管理的工作变得容易。与此同时，因而 带来的电磁兼容和信息安全问题同样不可忽视。车载通信总线种类多样、数目繁 多，且各自有不同的传输特征，加之处于车内复杂恶劣的电磁环境下，总线内的 芯线间的相互耦合和电磁场对总线的耦合都非常难以抑制。另外，高速数据总线 如r j 4 5 总线( 以太网线) 所产生的高频信号分量也会使互连线缆产生很大的电磁 干扰和泄漏。上述这些电磁兼容问题产生的根源就在于电磁耦合和发射。如图2 2 所示为一典型的车载内部总线的安装位置结构图。 图2 2 典型车载内部总线位置结构图 如上图为某型号车辆的车内布线示意图。车内包含左右8 个挡板，有8 个互 连的电子设备，共有包括电源总线在内的1 2 根总线。 2 1 2 车载底盘电气系统组成概述 2 1 2 1 车载底盘供电系统 车载底盘供电系统分为交流发电机系、蓄电池、综合电源以及油机等，这四 部分组成汽车底盘电源系统1 9 ，为车载各类电气及上装设备提供电源。 1 0 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 2 4 v 鼍霹箍毒量灯 1 2 v ( 毫白脚灯电机) 5 v 嵩觳擞翌 2 2 0 v ( r i i 以，示) 图2 3 车载底盘供电系统 汽车用交流发电机系主要由三相交流发电机、二极管整流器和电子调压器三 大部分组成图2 4 。 交流发电机必须配有电压调节器与之配合工作。这是因为交流发电机在结构 一定及磁场强度不变的条件下，其输出电压大小与发电机的转速成正比，而发电 机由发动带动，其转速则是由发动机转速所决定。汽车正常行驶时，发动机转速 变化范围很大，这势必对发电机输出电压的大小有很大影响，为使发电机电压在 不同的转速下均能保持一定，且能随发电机转速的变化而自动调节，使电压值保 持在某一特定范围，就必须装置电压调节器。 图2 4 汽车发电机系 三相交流发电机由汽车发动机( 内燃机) 带动，产生三相交流电，通过二极 管整流电路形成接近直流的电压图2 5 。二极管整流电路一般嵌入在交流发电机内 部，称硅整流发电机。 第二章车载电气系统电磁兼容特性 蜘1 1 w r f 灯_ 一 图2 5 整流过程a ) 整流前三相交流电b ) 整流后直流电 硅发中，电流谐波、电压调节器瞬变电压、整流二极管反向电流等是形成硅 发干扰的主要因素。 ( 1 ) 电流谐波 三相同步交流发电机绕组线圈输出的三相交流电流经整流器整流后即得到了 直流电流，但是其在直流输出侧所得到的直流并非完美的直流电，它含有丰富的 谐波，是一个脉动电流，在自身交流侧的相电流也含有丰富的谐波。 ( 2 ) 电子调压器瞬变电压 为保证输出电压的稳定，发电机必须配置电子电压调节器，电压调节器是通 过调整功率开关管的不断通断，来调节励磁线圈的励磁电流的通断，已达到调节 输出电压稳定的目的。在开关管截断的瞬间，励磁线圈会释放剩余能量，如图2 6 所示。 释放传 成传导 图2 6 励磁线圈释放剩余能量 在励磁线圈被截断的瞬间形成尖峰瞬态电压为乱罢，这是一个很高的尖 峰电压，通常为正常开关管截断电压的几十倍，如图2 7 所示，这个瞬态电压加载 到电源系统中会形成严重的干扰。 1 2 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 u 0 开关管极两端的电压 t 图2 7 截断瞬态电压 一般情况下，能够使电压调节器工作调压有两中情况：a ) 汽车电气负载发生 变化，因此，当发动机启动的时候，在发动机的电控喷油系统的电磁喷油阀的不 断吸合通断，而导致汽车电气负载不断发生变化，从而引起电压调节器的工作；b ) 发动机加速减速时。 i v d 0 ， 图2 8 二极管反向电流 ( 3 ) 整流二极管反向电流 通过对实际原装车辆的测试发现，硅整流发电机的整流器也存在着电磁干扰， 研究发现，是整流器的整流二极管存在反向电流，在二极管被截止后通过二极管 的电流并非立即降为零，而是沿二极管反方向通有一定的电流，如图2 8 所示，这 个反向电流反向加载到励磁线圈上，从而使励磁线圈产生干扰电压2 也罢，形 成干扰。 此外对于一般的车载系统都安装有蓄电池进行一些特定系统的供电。蓄电池 在汽车上与发电机一起担负着电源的作用，是靠其内部化学反应来储存电能和向 外输出电能的一种电化学器件。 蓄电池的主要作用： 1 ) 动机启动时，给发动机、点火系、电子燃油喷射系统等供电； 第二章车载电气系统电磁兼容特性 2 ) 发电机不发电( 一般为发动机停止运转时) 或电压较低的情况下向用电设 备供电； 3 ) 当用电负载过大、超过发电机供电能力时，由蓄电池与发电机共同供电， 以满足负载电流要求。 蓄电池的充电必须使用直流电源或将交流电用整流设备转变为直流电，故蓄 电池并联在发电机整流后的输出端，如图2 9 所示。 2 1 2 2 车载底盘用电系统 图2 9 蓄电池硅发连接关系 车载底盘用电系统概括的来讲，包括点火系统( 汽油机) 、电喷系统( 柴油机) 、 照明系统、空调系统、仪表系统、电机类电器和其他开关继电器设备等。 1 ) 发动机 不同的汽车，发动机也不同，小型汽车采用汽油发电机，拥有点火系统而没 有电喷系统；卡车及一些大马力越野车采用柴油发动机，通过压燃方式工作而没 有点火系统。下面对汽油机点火系统进行分析【1 1 。1 4 1 。 图2 1 0 点火系基本原理 点火系统基本原理： 如图2 1 0 所示，当开关k 闭合时，耦合线圈的n l 中存在恒定的磁通，当然， n l 与n 2 同芯耦合，故n 2 中亦存在同样的磁通。开关k 瞬间断开，n l 中的磁通近 乎瞬时消失，变化率很高，同样n 2 中的磁通变化率也很高，这样，在n l 和n 2 中 均产生了感应电动势。由于n 2 的匝数很大( 一般为几百匝) ，故感应电动势较高， 达到火花塞s 的击穿电压，实现点火。 1 4 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 根据开关k 的类型可将点火系统分为传统点火系统和电子点火系统。 传统点火系统图2 1 1 采用机械触点式断电器。 图2 1 l 传统点火系统概图 传统点火系统机械触点断电器转盘与发动机转轴联动，从而开关通断与转速 ( 活塞曲轴转速) 存在一定关系，实现开关通断与相应活塞冲程的对应关系。由 于采用机械式开关通断方式，高速通断时断点会出现拉弧，易氧化接触点。故传 统点火系正在逐步被淘汰，取而代之的是电子点火系统。 电子点火系统图2 1 2 采用的是晶体管开关器件，避免了上述机械触点断电器 的缺点。 图2 1 2 电子点火系统概图 霍尔发生器采集发动机转速信息，产生矩形波，控制开关管g t 的通断，实现 了与转速“联动”的开关关系。 2 1 照明系统 照明系统包括车外照明和车室内照明，随着新一代节能型l e d 灯的出现，l e d 灯已成功运用在新一代汽车的尾灯、转向灯及车室内顶灯、仪表背光灯等上面。 而车前主照明灯也将日趋被l e d 取代。 第二章车载电气系统电磁兼容特性 1 5 照明系统的典型特点就是单线供电，即正极接电源，负极搭铁；由于照明灯 遍及车身，照明系统布线一般均较长。 车上负载的变化，会引起负载电压的波动。在电压波动时，我们需要保持流 过l e d 的电流恒定，升压降压l e d 驱动器可以确保无论输入电压高于还是低于 输出电压，电流都能保持恒定。这保证了在负载断电和冷启动的时候，和安全有 关的照明灯可以保持恒定的亮度。另外，多样化的l e d 汽车照明应用也需要不同 的l e d 驱动器拓扑结构。部分汽车灯生产商希望能够有一个l e d 驱动平台可以适 用于不同灯光系统的不同l e d 配置。升压降压l e d 驱动器是大部分高亮度汽车 灯光系统的理想驱动器解决方案。 升压降压l e d 驱动器实际上就是一种d c d c 开关电源转换器，驱动器芯片 能够根据电压的大小自动调节输入电压，保持l e d 灯的供电电压不变。 图2 1 3l e d 灯布线框图 3 ) 仪表系统 汽车室内仪表盘存在很多仪表，这些仪表是用来指示和记录汽车工作状态的， 如发动机转速表、车速表、充电电流表、轮胎气压表、燃油指示表和机油压力表 岔占 寸。 仪表系统的工作原理很简单，就是传感器与灵敏电流表串联组成的回路，通 过灵敏电流表表头指示出现实状态。 r 1 电 i _ j帆 厂、 一， 弋夕 源 盟背光乒7 系 统 7 7 图2 1 4 仪表回路概图 随着汽车电子化程度的不断提高，车上出现了越来越多的传感器，仪表系统 的传感器往往与车室内仪表距离较远，之间导线很长，如后轮车胎压力表表头与 传感器相连，导线跨了近一个车身的距离。传感器位置多，连线长是仪表系统的 一大特点。 1 6 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 4 )电机类电器设备1 5 - 1 6 】 汽车上存在着很多直流执行电机，如电动雨刮器、空调送风风道的风扇、起 动电机和自动升降门窗电机、散热电机等。这些直流电机有的处于连续工作状态， 如空调送风风道风扇和散热电机，它们往往需要长时间运转；有些处于间歇工作 状态，如起动电机等，它们工作一小段时间就会停止。 电 源 系 缔 ，u 1 电枢绕组2 永磁体3 换向器4 电刷 图2 1 5 直流电机连接线及结构图 电源线连接两个电刷，电刷紧紧压在换向器上面，换向器的两片瓦分别接电 枢绕组的两端，使电枢绕组通过电流，在永磁体的磁场下，产生磁力矩使电枢绕 组、换向器和轴一起转动。 2 2 1 故障诊断方法 2 2 电磁兼容故障诊断方法 设备故障诊断技术是近4 0 年发展起来的一门新学科，它是为适应各种工程需 要而形成的多学科交叉的综合学科。在当今技术竞争日益激烈的环境下，工业企 业成功的关键因素之一是产品和制造过程的质量控制；而在军事领域里，对武器 装备的可靠性、保障性和可维修性有更高的要求。另一方面，随着现代工业及科 学技术的迅猛发展，特别是计算技术的发展，设备的结构越来越复杂，自动化程 度也越来越高，不仅同一设备的不同部分之间互相关联，紧密耦合，而且不同设 备之间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成一个整体。因此，一处故障可能 引起一系列连锁反应，导致整个设备甚至整个过程不能正常运行。 近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法。 现有的故障诊断方法概括起来可分为三大类。一是基于信号处理的方法，所谓基 于信号处理的方法，通常是利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、 小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检 测出故障。近年来出现的基于信号处理的方法主要有小波变化方法、主元分析方 第二章车载电气系统电磁兼容特性 1 7 法利用6 算子和利用k u u b a e k 信息准则的故障检测方法三种。二是基于解析模型 的方法，基于解析模型的方法是在明了诊断对象数学模型的基础上，按一定的数 学方法对被测信息进行诊断处理，可分为状态估计法和参数估计法。这种诊断方 法发展至今已形成了由b e a r d 提出的故障检测滤波器的方法、由m e n r a 和p e s h o n 提出的基于k a l m a n 滤波器的方法、d l a r k 提出的构造k a l m a n 滤波器阵列或l u n b e r g 观测器阵列的方法、d e c k e r t 提出的一致性空间的方法等几种基本方法。三是基于 知识的故障诊断方法，近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展，为故障诊断 技术提供了新的理论基础，产生了基于知识的诊断方法，此方法由于不需要对象 的精确数学模型，而且具有“智能”特性，因此是一种很有生命力的方法。基于知识 的诊断方法主要可以分为：专家系统故障诊断方法、模糊故障诊断方法、故障树 诊断方法、神经网络故障诊断方法、信息融合故障诊断方法及基于a g e n t 故障诊 断方法等【1 7 1 。 2 2 2 电磁兼容故障诊断 电磁兼容故障诊断是一项十分复杂、困难的工作。虽然电磁兼容故障问题几 乎与电磁兼容技术本身同步发展，可是故障诊断方面的发展速度似乎要慢的多。 在早期的电磁兼容故障诊断技术中，其基本方法是依靠一些测试仪表，按照跟踪 信号逐点寻迹的思路，借助人的逻辑判断来决定设备的故障所在。这种沿用至今 的传统诊断技术在很大程度上与维修人员的实践经验和专业水平有关，基本上没 有一套可靠的、科学的、成熟的办法。随着电磁兼容技术的发展，人们逐步认识 到，对故障诊断问题有必要重新研究，必须把以往的经验提升到理论的高度，同 时在坚实的理论基础上，系统地发展和完善一套严谨的现代化电磁兼容故障诊断 方法，并结合先进的计算机数据处理技术，实现电子电路故障诊断的自动检测、 定位及故障预测。 一般来说，电磁兼容性故障主要在两方面：一是设备本身有缺陷；二是由于 设备使用的外部环境恶劣引起的。在进行电磁兼容性故障诊断时，可以对存在问 题进行分析、试探和综合，充分利用掌握的检测手段，充分利用电磁兼容性测试 仪器、频谱仪和宽带示波器等典型仪器、设备。但故障诊断和处理只能作为电子 设备或系统设计中发现问题后的补偿，而不能用故障诊断和处理去替代电磁兼容 性设计，应该明确电磁兼容性设计是最根本的，属于前期预防。 1 ) 故障树和排除法 故障树分析方法是应用于许多领域的复杂系统故障分析的一种有力工具。故 障树分析法是以不希望发生，或以发生的系统失效( 发生故障) 的一个事件作为 分析目标( 顶事件) ，尽力寻找引起该项事件的直接原因，再去寻找引起上述直 1 8 基于故障树分析车载系统电磁兼容诊断方法研究 接原因的下一层次的直接原因，依次类推。如果原因a 或原因b 在同一层次，并 会引起上一级事件发生，就用逻辑或门( o r ) 把它们与上一级事件连起来；如果原 因a 和原因b 合在一起才引起上一级事件发生，就用逻辑与门( a n d ) 连起来，通 过这样逐层向下推测所有可能存在的原因，直至不需要分析为止。这样，以顶事 件与下一层次的逻辑关系，用逻辑门符号连成一棵倒立的树状图形，这就是故障 树。 2 ) 故障信号探测和追踪 引起电磁兼容性故障的信号可能是设备正常工作的有用信号，也可能是干扰 信号，即设备运行时附带产生的杂散信号。根据电磁干扰信号传播的途径，分为 传导干扰和辐射干扰，也可能是综合性的。对干扰信号的追踪是电磁兼容故障定 位的重要方法。追踪干扰信号要与确认干扰信号相结合，工程上较常使用的方法 包括消除故障确认法( 逐步撤去部分设备并观察干扰情况的方法) 、改变状态确 认法( 用相近的设备进行替代或改变工作方式，观察干扰情况) 、直接监测法( 探 测设备直接测量设备工作的波形，发现异常的波形信号，即可确认干扰信号) 。 3 ) 故障综合法和试探法 综合法是综合应用预测分析技术、故障树和探测法，对故障进行定位的方法。 对某些特别弱和特别强的信号，探测设备无法进行检测的，可采用预测分析技术。 若故障树分析后，发现了产生故障的可能性，可采用探测法进行验证，这也是综 合法的应用。 综合法是两种以上故障诊断技术的应用，也可以是预测分析技术与故障诊断 技术的应用，其目的是相互补充和验证。 试探法是在发现故障后无法确定干扰源或干扰源十分复杂的情况下，对干扰 源和传播途径进行工程上的整改，再进行联机试验，看故障是否得到了消除或改 善，从而确定故障位置的方法。 总之，显性故障的定位和机理分析是电磁兼容性故障诊断的重要内容，故障 定位通常采用故障树和排除法、故障干扰信号的探测和追踪、故障综合法和试探 法。前一种方法借鉴于可靠性分析基本方法，第二种是电磁兼容性标准测量的延 伸，并应考虑电磁兼容性故障的特点和外场( 现场) 试验的条件，在前两种方法 不能奏效时，只能应用综合法和试探法。电磁兼容诊断的最终目的是排除电磁兼 容性故障，不管是分析法还是探测法，其核心是能解决问题，而不是其严密性和 精度。由于电磁干扰并不是都可探测的，所以故障出现后，也不排除采用预测分 析方法，应用计算和分析也可以进行故障定位。 第二章车载电气系统电磁兼容特性 1 9 2 3 车载系统电磁兼容故障诊断方法 对于车载系统电磁兼容故障诊断来说有着自身的特点。首先车载系统作为一 个高度集成的装载平台，其自身电磁兼容性的问题就比较突出；而且常常工作于 电磁环境恶劣、外界有意无意干扰的条件下，所以其电磁兼容问题是及其突出甚 至严重的；其次由于车载平台作为一个整体，其单个电磁兼容问题的影响因素较 多，如上装电台语音不清，其可能的直接原因是来自于多方面的，如：1 ) 车顶天 线布局不好；2 ) 车顶上装电台工作频点产生同频、领道、交互调、中频、镜频干 扰；3 ) 外界环境对车载上装电台的干扰；4 ) 车载内部其它设备对上装电台的干 扰等；5 ) 上装平台自身制造性能的问题等。 由于干扰因素较多，需要综合采用上节2 2 2 小节的电磁兼容故障诊断的方法， 进行详细的分析。 对于上节所述的“故障信号探测和追踪”方法，由于车载系统内部实际物理空间 狭小，影响因素较多；如某上装短波电台工作于8 m h z 发生语音模糊情形，其干 扰源有可能来自于电源线的传导辐射，来源于外界的其他干扰信号，来源于上装 通信总线的端口辐射效应，因而单纯的定位很难找到其受扰的根本原因，因此该 方法应用于车载通信系统存在一定的局限性。 而采用故障树分析方法则能够很好的解决这个问题。通过故障树顶事件的建 立，尽力寻找引起该项事件的直接原因，再去寻找引起上述直接原因的下一层次 的直接原因，依次类推，找出该上装于车载系统电磁兼容故障的所有问题，然后 建立相应的干扰树模型。对于每个底事件，根据海量数据或工程经验数值，分配 其发生的相应概率，再根据布尔算法进行简化形成最小割集；这样便能够为车载 系统电磁兼容诊断提供相应切实的依据。 将故障树诊断方法应用于车载系统电磁兼容问题的诊断中，有以下几个典型 的优点： 1 ) 根据形成故障树的逻辑关系，能够迅速定位到发生故障的根本原因中，使 用这种方法能够囊括所有的中间环节、底环节，理清所有的拓扑关系，定位精确； 2 ) 根据形成的最小割集，进行故障诊断排查，能够迅速定位到目标，减少不 必要的中间过程，简化实际的排查操作工作； 3 ) 根据工程经验给底事件分配一个相应的发生概率，根据布尔算法，计算出 中间环节及顶事件的概率，对车载系统发生故障的环节进行预估，对后续的车体 结构、天线布局、走线等设计，提供切实的依据。 第三章故障树建模方法 2 1 第三章故障树建模方法 为了提高机电产品的可靠性，要求能够对系统发生故障的可能性及部位进行 分析，从而为产品改进提供依据。近5 0 年来，出现了许多故障分析方法，故障树 分析法采用逻辑推断的途径和以演绎的方式直接寻找出系统的故障，能够对故障 进行定量与定性分析，把系统故障树与组成系统各部件的故障有机的联系在一起， 并且对各种不同复杂程度分析具有多功能适应性，因此故障树分析法比其它方法 更能清楚直观地说明系统的失效机理，更能明确的定量分析其系统可靠性。对于 一个系统而言，故障树分析是障诊断系统的基础，也是现有故障诊断技术最有效、 最基本的手段。 3 1 故障树和故障树分析的基本概念1 8 。2 2 1 3 1 1 故障树事件及其符号 1 )