（电气工程专业论文）汽车电子控制系统电磁干扰问题的仿真研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 多年以来，电磁干扰一直是现代电子控制系统中备受关注的一个问题。尤其 在今天的汽车工业中，车辆采用了许多关键的和非关键的车载电子模块，例如引 擎管理系统、防抱死制动控制系统、电子动力转向功能系统、车内娱乐系统和热 控制系统。由于车辆所处的电磁环境非常复杂，汽车电子控制系统常常工作在非 常恶劣的环境下：振动和冲击经常发生；有很多噪声源，如刮水器电动机、燃油 泵、火花点火线圈、空调起动器、交流发电机线缆连接的间歇开断等。因此车上 的电子元件必须与这些干扰源共存。此外，车辆还可能进入一些外部发射机产生 的强电磁场区域，强度可达几十甚至几百伏特每米。然而汽车工业在多年前就已 意识到这些问题，所有著名厂商都已采取一定措施，通过制定测试标准和立法要 求，力图借此减少电磁干扰的影响，因此虽然随着研究的深入，今天的车辆对这 种干扰都具备了较强的抵抗能力，但是e m i 对车载电子控制系统的性能影响非常 大，因此必须继续对其保持警惕。 因此本文以汽车电子控制系统受到的外界干扰为研究的对象。 首先分析电子控制历史、现状以及发展的趋势，深入探讨汽车电子技术中控 制系统的内容，随后针对汽车上复杂的电磁环境，分析汽车上的主要电磁干扰源 及其干扰特点等。为汽车电子控制系统进一步研究做了前提和铺垫。 随后针对汽车带细缝屏蔽体耦合响应对汽车电子控制系统的电磁影响，讨论 了f d t d 中细缝的模拟算法以及根据f d t d 的基本原理建立了数值仿真模型仿真 研究带细缝屏蔽体的耦合特性。分析细缝的宽度大小、个数的多少对屏蔽体耦合 特性的影响。为汽车电子控制系统中所用的屏蔽体设计提供一个可靠的意见。 最后针对汽车电子控制系统作为汽车上的敏感设备，其受到的干扰其中最主 要的一部分来自屏蔽体内部的电子设备通过导线与外部设备进行连接时产生的干 扰，在这种情况外界的干扰电磁波通过导线传输而进入屏蔽体内对屏蔽体内设备 造成的干扰。因此本文先是研究单导线传导干扰，分析干扰源与线的垂直距离变 化时产生的干扰，以及线长度变化时产生的干扰。根据单导线的模型建立双导线 的传导干扰模型，分析干扰源对双导线分别产生的干扰影响。为了分析一根导线 受到的总的干扰，文中提出一种计算解决的方法，并分析干扰源以及一根导线在 其中的令一根导线产生的总的干扰 关键词：汽车，电子控制系统，电磁干扰，时域有限差分方法 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t f o rm a n yy e a r s ，i ti saq u e s t i o nr e c e i v i n gm u c hc o b c e r ni nm o d e r l le l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mt oi n t e r f e r ew i t he l e c t r o m a g n e t i c a l l y e s p e c i a l l yi nt h ea u t oi n d u s t r y t o d a y , t h ev e h i c l ea d o p t st h ec a r - m o u n t e de l e c t r o n i cm o d u l ec r i t i c a la n dn o n - c r i t i c a l ，f o r e x a m p l ea d m i n i s t r a t i v es y s t e mo f t h ee n g i n e ，a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m , e l e c t r i c a lp o w e r s t e e r i n gf u n c t i o n ss y s t e ma n dh o tc o n t r o ls y s t e mi nf u n c t i o ns y s t e m , c a r m e a n w h i l e b e c a u s et h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tt h a tt h ev e h i c l ei si ni sv e r yc o m p l i c a t e d , o f t e nt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ti sv e r ya b o m i n a b l ei nt h ee l e c t r o n i cs y s t e mo ft h ec 叱 v i b r a t i o na n da s s a u l t i n gt a l 【i n gp l a c ef r e q u e n t l y ；al o to fn o i s es o u r c e ss u c h 鹬w i p e r m o t o r , f u e lp u m p ，s p a r kl i g h taf i r ei n t e r m i t t e n c et h a tt h ec o i l ，a i rc o n d i t i o n e rs t a 蛾 a l t e m a t i n ge t a t e n tg e n e r a t o rc a b l ec o n n e c ti sc u to i t ；a n ds o m ew i r e l e s se l e c t r o n i c a p p a r a t u s f o ri i 坞缸m c em o b i l ep h o n ea n db p , e t e 。s ot h ee l e c t r o n i ce l e m e n t0 1 1t h ec a t m u s ti n t e r f e r ew i t ht h es o u r c ea n dr a d i of r e q u e n c yt r a n s m i t t e ra n dc o e x i s tw i t ht h e s e , t h e s ei n t e r f e r ew i t hs o u r c ea n ds o m et r a n s m i t t e ri n s t a l la n ds e tu pa p p r o p r i a t ef o r e x a m p l em e e ta l lu r g e n tn e e d , , 鸵f v ev e h i c l e b u ts o m ea n o ts of o re x a m p l es o m e i n s t a l l e ds o m el a u n c h e r sa n dc e l l u l a rt e l e p h o n e so f y e a ro fb i k ea f t e rb e i n gd i s p a t c h e d f r o mt h ef a c t o r y i na d d i t i o n , t h ev e h i c l em a ya l s oe n t e rt h es t r o n ge l e c t r i cm a g n e t i c f i e l da r e aw h e r es o m eo u t s i d et r a n s m i t t e r se m e r g e t h ei n t e n s 姆c a nb eu pt od o z e n so f e v e ns e v e r a lh u n d r e av o l tp e rm d b r e s t h ea u t oi n d u s t r yh a da l r e a d yr e a l i z e dt h e s e q u e s t i o n sm a n yy e a r sa g o ，a l lf a m o u sm a n u f a c t u r e r sh a da l r e a d yt a k e nc e r t a i nm e a s u r e ， t e s tt h es t a n d a r da n dl e g i s l a t et or e q u i r e ，衄h a r dt or e d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i c i n f l u e n c et h a ti n t e r f e r e sw i t hb yt h i st h r o u g hm a k i n g t h o u g hw i t ht h ed e e p e n i n g s t u d y i n g , t h ev e h i c l eo ft o d a yh a sp o s s e s s e ds b o n g e ra b i l i t yo fr e s i s t i n gt ot h i sk i n do f i n t e r f e r e n c e , b u te m ii n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o n i cc o n 血 o ls y s t e mi n y e a ro f u a i nv e r yb i g , s om u s tc o n t i n u em a m t a i m gv i g i l a n c et oi t a n a l y z et h ee l e c t r o nc o n l r o l sh i s t o r y , c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n da l f i r s t , p r o b ei n t ot h ec o n t e n to f t h ec o n t r o ls y s t e mi nt h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yo f t h ec a f t h o r o u g h l y , d i r e c ta g a i n s tt h ec o m p l i c a t e de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to nt h ec 缸 s u b s e q u e n t l y , t h eo n e st h a ta n a l y z eo nt h e ri l l t 翻触w i t ht h es o u r c ea n di n t e r f e r e w i t ht h ec h 部哺c k d s 如e t c m a i n l ya n de l e c t r o m a g n e t i c ，f u r t h e rs t u d yp r e r e q u i s i t ea n d f o r e s h a d o w i n gf o rt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo f t h ec a r 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t a k et oc a fd e t a i l e dt os e w ss h i e l db o d yc o u p l i n gr e s p o n d , i n f l u e n c et oc 越 e l e c t r o n i c e l e c t r o m a g n e t i s m o fc o n t r o ls y s t e m s u b s e q u e n t l y , d i s c u s s i o nd e t a i l e d s i m u l a t i 叩a l g o r i t h mt h a ts e wi nt h ef d t da n ds e tu pn u m b e rv a l u ea r t i f i c i a lm o d e l a r t i f i c i a lr e j c a r c ht a k ea c c o r d i n gt ob a s i cp r i n c i p l eo ff d t dd e t a i l e dt os e wc o u p l i n g e h a r a e t e r i s t i et os h i e l db o d y i ti sa 1 1 a l y z e ah o wm u c hi n f l u e n c e0 1 1s h i e l d i n gb o d y c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i ct h ed e t a i l e dw i d t hs i z e n u m b e rt h a ts e wa o f f e rar e l i a b l e s u g g e s t i o nf o rt h ef a c tt h a tt h eb o d yo fs h i e l d i n gu s e di sd e s i g n e di nt h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mo f t h ec a l d i r e c ti ta g a i n s tt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo ft h ec a fa st h es e n s i t i v ea p p a r a t u s o nt h ec a rf m a n y , i n t e r f e r e n c et h a tr e e e i v ei t sm a i nap a r ti n t e r f e r ew i t hf r o me l e e l a o n i e a p p a r a t u st os h i e l db o d yt h r o u g hw i r ea n do u t s i d ew h o ma p p a r a t u sg oo i lj o i n , p r o d u c i n ga m o n gt h e m , t a a n s m i ta n de n t e rt o 枷e d i n gt h ei l i t 朗隋咖c et h a tt h ei n t e r n a l a p p a r a t u sc l l l 坞e $ w h i l es h i e l d i n gt h eb o d yt h r o u g h t h ew i r ei nt h ee x t e r n a li n t e r f e r e n c e e l e c t r o m a g n e t i cw a y co ft h i sk i n do fs i t u a t i o n s ot h i st e x ts t u d yf o r mw i r ec o n d u c t , i n t e r f e r ew i t h , a _ , m l y z e , i n t e r f e r ew i t hs o u r c ea n dv e r t i c a ld i s t a n c ei n t e r f e r e n c et h a t p r o d u c ec h a n g e ，o fl i n ef i r s t , a n dt h ei n t e r f e r e n c et h a tt h el i n el e n g t hp r o d u c e sw h e n b e i n gc h a n g e d s e tu pe o n d u e t i n gt l a em o d e lo fi n t e r f 酾n gw i t ho fap a i ro fw i r e a c c o r d i n gt ot h em o d e lo ft h es i n g l ew i r e ，a n a l y z et h a ti n t e r f e r e sw i t ht h ei n t e r f e r e r 雠 i n f l u e n c ep r o d u e a x lt oap a i ro f w i r er e s p e c t i v e l yi ns o u r c e i no r d e rt oa n a l y z et h et o t a l i n t e r f e r e n c et h a tas 吐c ko fw i r er e c e i v e s p u tf o r w a r daa n dc a l c u l a t et h em e t h o dt o s o l v ei nt h ea r t i c l e a n a l y z et h a ti ti si nt h et o t a li n t e r f e r e n c eo fm a k i n gas t i c ko fw i r e p r o d u c ea m o n gt h e mt oi n t e r f e r ew i t ht l 扯s o u 硝a n da s t i c ko f w i r e k e y w o r d s ：a u t o ，d e e t r o n i ec o n t r o ls y s t e m ，e l e e l r o m a g n e t i ei n t e r f e r e ，f i n i t ed i f f e r e n c e t i m ed o m a i n ( f r o d ) m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：酗，签字日期：w 多7 年明妒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：弧七， 签字日期：9 年阴啪 导师签名：香、( 虮 签字日期：。叶年s 月五f 日 重庆大学硕士学位论文i 绪论 l 绪论 1 1 论文选题意义 经过1 0 0 多年的发展，汽车已经成为现代物质文明的一种象征和人类生活不 可缺少的部分而汽车在一个国家的普及程度，也成为衡量其工业化的重要标志。 特别是自7 0 年代以来，随着人类在汽车上广泛采用先进技术，特别是电子技术【5 j ， “汽车”的概念正在发生巨大变化，这主要表现在以下几个方面。 1 用途的变化。以轿车为例，传统的概念是“人类的一种步代工具”，现在和 未来的轿车则是能满足人类需求的舒适、安全、方便、无污染，向自动化、智能 化方向发展的多功能移动空间人类可以在汽车内方便地完成在室内的多种活动， 包括生活与办公。对于社会来说，汽车也将成为保护环境的要素，即绿色汽车。 2 特征的变化。传统的汽车主要是个机械系统，而汽车工业则是一种劳动密 集、技术密集型产业。现代汽车正迅速地成为机电一体化。多种高新技术综合集 成的载体，向高可靠性、安全、节能、自动化和智能化方向发展。 3 学科基础的变化。现代汽车这一产品设计、制造的思想与方法正在发生根 本的变化。传统汽车工程的学科基础主要靠力学、机械、材料这些学科的支撑， 而现代汽车工程的学科基础则新增了电子学、计算机、自动控制和信息技术等多 门学科，靠一种新型的学科和学科群落支撑。 因此从现在到2 l 世纪中叶，汽车将集中围绕如下几个方面嘲：满足用户需 求，大幅度提高汽车的性能，使之舒适、方便、安全、可靠；满足社会需求， 保护环境、节约能源、节约资源；实现包含道路在内的交通系统智能化，将汽 车和社会有机地联系在一起。 显然，电子技术作为支撑现代汽车工程的基础技术之一，在解决这些问题将 占有不可代替的重要地位。预计2 0 1 0 年以前唧，汽车电子技术的研究，将主要围 绕汽车各重要部件，解决其自动控制的问题。包括研究控制系统的输入( 传感器 系统和采样环节) 、输出( 即执行结构) 、控制策略与实现方法；以及在低成本的 前提下，研制高实时性、高可靠性和高精度的控制系统。在2 l 世纪，汽车电子技 术将运用计算机网络和信息技术，使汽车与社会联结方面获得较大的进展，包括 广泛使用蜂窝电话与g p s ，以及采用多路总线分布式网络集成所有汽车部件的电 子控制模块，使整个系统具有数据融合、故障诊断与一定的自修复功能【1 0 1 运行 在社会和经济结构中的汽车，将会发生更多的变化 但是由于汽车电子技术的发展，随之带来的电磁兼容问题越来越严重 举例说明如下： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 现象1 ：某种中高档次轿车，具有高性能a b s 系统。样车在一次实况测试中 遇到了雨天，启动雨刮器，在某一车速运行时，a b s 突然失去了作用 现象2 ：国内生产的某一型号微型汽车，其发电机调节器经常出现易被击穿损 坏现象。经查，当雨刮器工作时，这种损坏现象就容易发生 分析上述两个实例，造成这种现象的主要原因是雨刮器。雨刮器驱动电机作 为感性负载，在切断电源时会产生反向电流并通过电源线传输到供电系统中，从 而在电源系统中产生干扰脉冲，一些电子部件在这种干扰脉冲条件下，不能正常 工作，甚至导致损坏。 现象3 ：一种国内开发生产的安全气囊，在汽车整车装配线上突然引爆经对 该安全气囊的电子引爆控制器进行试验检查，发现其不能承受较强的环境辐射电 磁场，当有静电放电发生时，会有误动作 总之汽车电系内部的各种瞬变电压、高压插孔电极、火花塞之间、发动机电 刷与整流管之间的间隙放电、各种开关电路的开关放电以及一些车轮与地面、车 身与空气问摩擦的静电放电等产生的电磁辐射对汽车内的电子产品产生干扰。因 此，作为汽车上的各种电子控制系统装置，有些开关时间高达l o o n s ，产生的电磁 波对其它的电子系统的干扰不容忽略。 综合考虑汽车电子控制系统对汽车电磁兼容的影响之所以这样重要，其主要 表现在以下几个方面： 1 由于汽车电子控制系统频率大约都在几百m h z 以上，有的甚至高达几个 g i - i z ，这样高的频率对车外的收音机、电视机和无线电通信的接收有显著的影响， 以致使信号中断，无法保证正常通信；影响制动抱死控制系统，以致发生交通事 故等。 2 汽车内部的电子控制系统，有些电子系统工作频率相接近，当电子控制系 统工作时，产生的电磁波还会影响到其它电子系统，如对汽车行驶记录仪器的影 响，当某些电子系统工作时可能致使其不能正常工作，就不能正确记录行驶情况。 3 另外，其它的电子系统产生的电磁干扰，还可能会使汽车电予控制系统的 开关电路误触发，如对汽车防碰撞系统的开关控制电路的影响，以致会发生严重 交通事故。 因此对电子控制系统相互问的电磁干扰问题的研究显得十分必要。因为这些 研究，不仅对汽车电子产品的质量、使用性能和寿命以及汽车安全等问题具有现 实意义，而且对汽车电子电磁环境实验设备的研究和开发具有指导意义，特别是 对电波暗室承建、吸波材料的选择以及进行实验时应满足的要求也具有一定的参 考价值，仿真与实验研究的结果还可以直接或间接应用到汽车测试实验的实践中； 同时汽车电磁兼容实验测试可以对仿真研究的结果进行验证；而更为重要的是通 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 过研究结果可以评价汽车及汽车电器的电磁兼容性、评价汽车电系的各种电磁干 扰的特性及电子器件或装置抗电磁干扰的能力等。最后本课题对于研究汽车电磁 兼容实验、仿真技术也具有重要的意义 1 2 国内外研究现状 国外研究现状： 由于发达国家十分重视汽车电磁兼容问题的研究，并且制定了一系列详细的 法规，一些大的汽车生产厂家还制定了自己的厂家标准。他们即从实验方面进行 了研究，同时也有人从仿真角度进行了研究。从实验测试角度讲，对汽车电磁兼 容测试是在各大汽车制造商承建的e m c 实验室进行。这些汽车公司的e m c 实验室 不但规模大而且试验设备先进、装备齐全，能模拟非常恶劣、特殊的电磁现象 它们不仅可以测试发动机电刷和电子点火系统的电磁辐射，还可以根据需要模拟 出需要的电磁脉冲对汽车内电器产品产生的干扰进行测试。r o b e r tb a l l 等人采用大 电流注入测试方法【1 4 】得到了流浪者型车内由于电子点火系统产生的电磁波对车内 敏感性设备干扰特性，最后给出了实验结果，为流浪者型【l6 j 车生产制造提出了新 的要求；数值仿真计算方法主要有f d t d 、f v t d 的数值算法以及应用具体的软件 进行仿真。而对单纯的电子控制系统电路研究很多，国外的学者v f f u s c o 用f d t d 对三端口电子开关装置进行建模，分析了三端口电子控制装置对外部空间辐射干 扰，并给出了仿真的结果等等。但是对汽车上的电子控制系统电路装置电磁干扰 闯题研究相对较少，t h o m a sf t r o s t 等人根据t h et e x a sd e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n 公司经常遇到由于汽车内电子系统和强电波干扰源设备的干扰，致使 r f 无线电通信不能得到保障，因此他们仿真了电动汽车上的r f 无线电干扰的特性 【2 ”，并通过实验测试验证了结果；a m t r z y n a d l o w s k ( 波兰) 研究了电动汽车驱动控 制的p w m 技术，他采用a v a n t 公司先进的仿真软件s a b e 砌差行仿真研究，并比较 了确定脉宽调制( d p w m ) 技术和随机脉宽调制( r p w m ) 技术对汽车e m i 的影响，分 析指出r p w m 技术对汽车e m i 影响要降低至少1 0 d b ：此外，h a r r yw g a u l 等人用 仿真和实验方法验证了连接发动机的电子控制系统中，由开关转换产生的电磁波 对汽车电磁环境的影响；还有的学者仿真研究了外界辐射的电磁波通过线束传输 进入汽车电机控制系统中，对电子控制系统控制电路的影响研究等。 国内研究现状： 目前国内对汽车电子控制电路装置电磁兼容问题的研究主要是实验测试研究 和从电路理论上的研究。如上海大众汽车有限公司电磁兼容试验室、天津汽车技 术研究中心电磁兼容试验室、国家汽车质量监督检验中心( 长春) 电磁兼容试验室 等。这些电波暗室可以对汽车电子控制系统进行测试、汽车无线电干扰进行测试， 3 重庆大学硕士学位论文i 绪论 特别是由发动机点火系统产生的干扰测试和由于车身而改变外界电磁波在车内产 生的电磁环境测试等。近些年，由于汽车微机电子控制系统的出现，如点火时间 控制、电机调速控制、燃油喷射系统控制、电子防盗控制等。这些电子开关控制 系统间存在着相互干扰，解放军汽车管理学院对这方面做了研究工作，提出了减 小相互干扰的措施，如加装阻尼电阻、加装并联电容、采用金属屏蔽等。同济大 学的研究者也对电动汽车d c c d 变换器的电磁干扰进行了分析，指出了变换器干 扰的原因，其主要干扰源是开关开、断时产生的电压尖峰、二极管导通变为截止 的反向浪涌电流等，并提出了改进措施，如用电、磁屏蔽方法切断辐射传播途径。 罗克韦尔自动化研究所( 上海) 对变频调速系统共模噪声电磁干扰进行分析，并提出 了减弱噪声源、噪声屏蔽等改进措施。 总之从查阅到的资料来，国内还局限于测试阶段，还没有查阅到有关的仿真 研究或是仿真与实验结合的研究。而国外对此研究比较的多，有仿真研究、实验 研究，但是更多的是实验和仿真的结合，都是根据具体的电磁问题提出仿真实验 模型，用实验验证仿真结果，用仿真的结果来指导实践操作，从而达到改善汽车 电磁环境，减小干扰的目的。 1 3 目前主要的研究方法 汽车电子控制系统电磁干扰也属于电磁兼容理论，因此对其研究的方法有解 析法、高性能的数值计算机方法、成熟软件的建模仿真方法和试验方法等。 电磁场理论发展到现在，计算电磁场的数值方法很多。它们均由麦克斯韦方 程出发来进行求解，根据具体问题的不同，求解方法也不同。下面介绍几种相关 的常用的电磁场数值计算方法； 有限元法 2 3 2 s j 有限元的思想最早由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出五十年代初期，由于工程分析 的需要，有限元法在复杂的航空结构分析中最先得到应用。1 9 6 5 年w i 璐i o w 首先 将有限元应用于电气工程问题，1 9 6 9 年s i l v e s t e r 将有限元法推广应用于时谐电磁 场问题。发展至今，对于电气工程领域，有限元法已经成为各类电磁场、电磁波 工程问题定量分析与优化设计的主导数值计算方法。 传统的有限元法以变分原理为基础，把所要求的微分方程的数学模型边 值问题，首先转化为相应的变分问题，即泛函求极值问题，然后利用剖分插值， 离散变分问题为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数方程组， 解之即得待求边值问题的数值解。可以看出，有限元法的核心在于剖分插值，它 是将研究的连续场分割为有限个单元，然后用比较简单的插值函数来表示每个单 元的解，但是它并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，而是在全部单元总 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 体合成后再引入边界条件。 矩量法1 2 3 1 矩量法( m o m e n tm e t h o d ) 是近年来在天线、微波技术和电磁波发射等方面广泛 应用的一种方法。从这些实际工程问题涉及开域、激励场源分布形态较为复杂等 特征出发，矩量法是将待求的积分方程问题转化为一个矩阵方程问题，借助于计 算机，求得其数值解，从而在所得激励源分布的数值解基础上，即可算出辐射场 的分布及其阻抗等特性参数。矩量法的处理过程可以采用加权余量法或定义泛函 内积等方法展开。 时域有限差分法 2 3 1 1 2 5 1 1 9 6 6 年，i c s y e e 提出了时域有限差分法 2 0 1 1 2 2 1 1 2 3 1 的基本原理。之后的二十年， 它的研究进展缓慢，在电磁散射、电磁兼容领域有些初步应用2 0 世纪8 0 年代后 期以来，它备受学者青睐，被称为重要的电磁数值计算方法之一。对域有限差分 法以差分原理为基础，直接从m a x w e l l 方程出发，将其转换为差分方程组，在一 定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样。因此，它是对电磁场问题的最 原始、最本质、最完备的数值模拟，具有最广泛的适用性。以它为基础制作的计 算程序，对广泛的电磁场问题具有通用性。由它所得的结果应该是“完备”的矢量场， 由此算出的三维电磁场也应该是“精确”的。 随着吸收边界条件的不断改善，尤其是完全匹配层的提出与应用，以及对各 种非标准网格划分技术、计算量压缩技术、抗误差积累技术的深入研究，该方法 臼趋完善，其应用面也趋于全方位。从电磁散射、电磁兼容、波导与谐振腔系统、 天线辐射特性的研究，到电磁波生物效应、微波及毫米波集成电路分析、超高速 集成电路互连封装电磁特性的分析，以及复杂媒质中的电磁传播、逆散射与遥感， 几乎都有时域有限差分应用的例子。时域有限差分法非常适用于具有复杂结构的 电磁场问题进行的正确模拟，而它的直接时域计算特性也对干扰源宽频带辐射的 计算具有突出的优点，只需采用适当脉冲作为激励源，即可获得宽频带的辐射特 性。时域有限差分法使电磁场的理论与计算从处理稳态问题发展到瞬态问题，从 处理标量场问题发展到直接处理矢量场问题，这在电磁场理论中是一个极有意义 的重大发展。 成熟软件仿真方法主要时真对根据计算机电磁学发展起来的一些应用软件 如： f l o e m c f l o e m c 是专业针对电磁兼容性分析的分析软件，主要用于系统级的电磁兼 容分析。f l o e m c 采用先进的时域传输线法f i l m ) ，从原理上来说，因为我们的 软件在做模拟时首先用的激励源是冲击脉冲，由于这个脉冲在时域的宽度极窄( 实 5 重庆大学硕士学位论文i 绪论 际上是趋于无限窄) ，从频域来说，它能覆盖极宽的频率范围( 理论上说是无限宽) ； 当以这个冲击脉冲来激励整个系统时，根据信号与系统的理论，在时域得到的将 是此脉冲与系统函数即h ( t ) 的卷积，对应于频域，结果将是系统函数h ( s ) 与冲击脉 冲的频域响应( 理想情况下是) 的乘积，自然我们将得到h ( s ) ，它就是整个系统 的频域响应。由于以上的求解原理，所以只需要一次求解，我们就可以得到系统 在整个频域的响应曲线( 理论上是无限宽) ，也就是系统的屏蔽效能曲线使用 f l o e m c 可以求解的问题：部件级和系统级的屏蔽效能分析( s h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s ) ；主要针对部件和系统的有意辐射( i n t e n t i o n a lr a d i a t i o n ) 问题的辐 射性能分析；主要用于电路参数分析的散射系数分析( s c a t t e r p a r a m e t e r ) 。 c s t - m w s c s tm i c r o w a v e s t u d i o ，是德国c s t ( c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 公司推出的高频三维电磁场仿真软件。广泛应用于移动通信、无线通信( 蓝牙系 统) ，信号集成和电磁兼容等领域。微波工作室使用简洁，能为用户的高频设计提 供直观的电磁特性微波工作室除了主要的时域求解器模块外，还为某些特殊应 用提供本征模及频域求解器模块。c a d 文件的导入功能及s p i c e 参量的提取增强 了设计的可能性并缩短了设计时间。另外，由于c s t 设计工作室的开放性体系结 构能为其它仿真软件提供链接，使微波工作室与其它设计环境相集成。 h f s s 经过二十多年的发展，h f s s 以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真 速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构 设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计 算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括：射频和 微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性 和系统部件的电磁兼容电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强 竞争力。h f s s 采用自适应网格剖分，a l p s 快速扫频，切向元等专利技术，集成 了工业标准的建模系统，提供了功能强大、使用灵活的宏语言，直观的后处理器 及独有的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，并利用o p t i m e t r i c s 可对 任意的参数进行优化和扫描分析。 1 4 主要研究工作 汽车上的电子控制系统包括了汽车上的电器设备和电子设备，是汽车上的敏 感设备之一。因此受到的干扰就大，特别是车内之间的干扰源。本文通过仿真研 究汽车电子控制系统受外界( 主要车内) 电磁干扰的情况 具体研究工作如下： 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 分析电子控制系统的发展、历史以及趋势，并根据目前情况分析电子控制系统 受到干扰的主要干扰源； 分析f d t d 理论，重点研究f d t d 中吸收边界条件以及电偶极子源在f d t d 中 的应用； 研究分析细缝在f d t d 中的模拟方法，分析容性算法、三维环路算法和增强细 缝算法在处理细缝的优缺点； 用增强细缝算法仿真研究电子控制系统中带细缝屏蔽体耦合特性和印制电路板 布线的串扰影响； 仿真研究单导线传导干扰对汽车电子控制系统的影响； 在以上的基础上研究分析双导线传导干扰； ， 重庆大学硕士学位论文2 汽车电子控制系统的概述及受到的主要干扰的分析 2 汽车电子控制系统的概述及受到的主要千扰的分析 社会需求的引导、法规的推动和技术的进步，是导致汽车上采用电子技术， 并蓬勃发展的根本原因。安全方面是汽车最早的法规，随后陆续制定了排气污染 与噪声控制、燃油经济性等一系列日益严格的法规。它们强制性地维护推动了电 子技术在汽车上的广泛应用，许多机械控制系统被电子控制系统取代。本节将分 析汽车电子控制系统的发展历史、现状和趋势，最后分析汽车上主要的电磁干扰 源。 2 1 汽车电子控制系统的概述 电器和电子设备是汽车的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到汽车的经 济性、可靠性与安全性。在现代科学技术高速发展的今天，对汽车性能也提出了 更高的要求，为此现代汽车上大量地使用电子设备。电子设备地应用不仅提高了 传统汽车的性能水平，而且也开拓了电子技术的应用领域，开创了当今的汽车电 子时代。汽车的电子化程度也已经成为衡量汽车技术水平高低的重要标志。 2 1 1 汽车电子控制系统的发展历史、现状和发展趋势 由于计算机技术的普遍应用，因此电子技术和计算机控制技术的发展为汽车 技术性能的提高，经济性、安全性和舒适性的改善，乃至对减少汽车废气污染都创 造了良好的条件，因此，近3 0 年来，汽车电子控制技术的发展十分迅速。甚至可以 说无论哪种型式和用途的车辆，人们在改进产品或设计新型产品时，都离不开电 子控制技术的支持，使汽车电子化的程度越来越高。汽车电子控制技术是汽车技 术与电子技术结合的产物，并伴随着汽车油耗法规、排放法规、安全法规要求的提 高和电子技术的进步而逐步发展到当今的水平。世界汽车电子控制技术的发展过 程大致可分为分离电子元件控制、集成电路控制和微型计算机控制三个阶段嗍。 第一阶段：从6 0 年代中期到7 0 年代末期，主要是从技术革新着眼，应用电 子装置改善部分机械部件的性能，这些革新往往是局部的、不关键的，按汽车各 部件完成相对独立的自动控制功能，在汽车总体设计中不予考虑。例如采用整流 发电机、发动机晶体管无触点点火、电子控制燃油喷射、电子时钟等。 第二阶段：从7 0 年代末期到9 0 年代中期，汽车电子技术的雏形开始形成。 主要特点是在汽车大部分乃至总体的设计生产中，重视“机电一体化”的思想与技 术，应用电子装置解决机械部件所无法解决的复杂自动控制问题。在这一阶段， 大规模集成电路和4 位、8 位微处理器被广泛应用，从而减小电子系统的体积，增 0 重庆大学硕士学位论文2 汽车电子控制系统的概述及受到的主要干扰的分析 加了可靠性，这一时期产生了许多汽车综合电子控制系统，包括发动机电子管理 系统、动力传动总成控制系统、制动抱死控制系统、电子控制空气悬架、电子控 制转向系统、电子仪表和复杂娱乐系统等。 第三阶段：从9 0 年代中期，预计到2 0 1 0 年，汽车电子作为工程技术已经成 熟，将积累形成汽车电子技术群，并导致汽车电子学”这门集机电一体化、多学科 综合、特色鲜明的新兴学科的诞生。在这一时期，电子工业将继续为汽车工业提 供大批量的更先进的灵巧电源、灵巧传感器和具有大容量内存的1 6 位或3 2 位微 处理器等。汽车的总体设计将考虑整车设计的机电一体化，重视总体、系统。同 时汽车电子技术的重点也将由解决汽车部件或总成的自动控制系统问题，开始广 泛应用计算机网络与信息技术，使汽车更加自动化、智能化，并向解决汽车和社 会联结等问题的转移 因此随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车嗍上，电子技术的应 用越来越广泛。今天的汽车已经逐步进入了电脑控制的时代1 3 l l 。电子技术在解决 提高汽车性能、环保、能源、安全等问题中占有不可替代的重要地位。2 1 世纪，汽 车将应用电子计算机网络和信息技术l ”。在汽车与社会紧密相连方面具有较大进 展，包括广泛应用全球定位系统g p s 和广泛使用车载信息系统，以及采用多路传 输系统来集成汽车所有零部件的电子控制模块，使整个汽车电子系统具有数据融 合、故障诊断和一定的自我修复功能。目前的统计表明，人们在汽车内有4 0 以上 的时间是眼望窗外，无所事事。当今人们在谈论信息时代和信息高速公路的时，当 今汽车已不满足于汽车的通讯功能仅局限于收听广播和用车载电话通话。而要求 汽车能显示信息和日程表，阅读或发送电子邮件和传宾，收看天气预报和股市行 情，访闯互联网，甚至订购机票或一束鲜花。不久的将来在车内将能使用办公室的 一切。例如数据库、电话号码、通讯录、约会记录、电脑笔记本、计算机以及银行 业务等。 综上所述，汽车电子控制技术正在发展当中它不再将电子技术作为机械结构 的替代或增补，而是强调总体设计的机电一体化；强调汽车的自动化、智能化、网 络化和信息化，只有靠电子技术和不断发展的高科技投入，才能使汽车产品焕发 青春。电子技术的应用与发展，将推动电子化的汽车进入到一个全新的时代，2 l 世 纪的汽车不仅在高速公路上行驶，还将在信息高速公路上飞奔。 2 1 2 汽车电子技术的内容 2 l 世纪，全球汽车电子技术的发展趋势是：安全、节能、环保、舒适。其中 环保与节能主要体现在发动机与传动系统的电子控制以及燃料电池、c a n 通讯、 电控系统为代表的电动汽车、整车控制技术方面，而行驶安全性主要体现在安全气 9 重庆大学硕士学位论文2 汽车电子控制