摩托车电控汽油机点火系统干扰和抑制研究.doc

摘 要 大阳 CG125 汽油机的单片机控制系统是准确控制汽油机点火时刻 节气门开 度等的关键部件 然而 点火系统在火花跳火时刻向外的强电磁干扰对单片机控 制系统的可靠工作造成了严重威胁 本文研究了造成这些影响的干扰源的特性 并针对该特性提出了一系列措施以保证单片机控制系统的可靠工作 本文详细分析了点火系统的干扰源特性 并以高压线为例分析计算了由于断 电器断开瞬间高压线上电流的脉动变化所产生的电磁辐射 计算出了不同频段所 对应的远场和近场距离 基于远场和近场的不同特点计算出在不同的场点至源点 的距离 r 和不同的方位角 所对应的电场强度和磁场强度 并绘制出其变化曲 线 对于点火系统而言 电磁干扰信号传输耦合的途径主要有传导和辐射两种方 式 传导耦合又可分为电导性耦合 电感性耦合和电容性耦合 针对电导性耦合 本文中采用光电耦合器 单片机和点火系统独立供电 点火系统初级电路 次级 电路 单片机电路等单独设置地线 并在一点接地的方法来抑制和消除电导性耦 合干扰 针对电容耦合和电感耦合干扰 在电路设计上采取点火信号驱动电路和 单片机电路分开设计布线 并在电路板上采取隔离的措施 针对点火系统对外的 电磁辐射耦合干扰 本文中采用盒状铁屏蔽壳将火花塞和高压线屏蔽起来 屏蔽 壳接地的方法 此方法可同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用 采取上述屏蔽措施后 经实验证明 单片机控制系统在点火系统点火时 刻能够正常工作 关键词 汽油机 单片机 点火系统 抗干扰 ABSTRACT Gasoline CG125 Dayang microcontroller control system is a key component to accurately control the ignition times throttle opening and so on However it will creat strong electromagnetic interference to control system while the ignition system spark is flashing which will take a serious threat to the reliable work In this paper the characteristics of the interference source is talked and a series of approach to ensure a reliable single chip control system work are refered to In this paper a detailed analysis on the characteristics of the interference source from the ignition system is done and analysis of electromagnetic radiation generated by the high voltage pulse current at the moment when the broken appliance disconnect is also include in the study by taking the high tension line as an example And then the corresponding far field and near field distance is calculated Based on far field and near field to calculate the the electric field strength and magnetic field strength in different position r and the azimuth angle corresponding to and to map out its plans For the ignition system the mainly two ways of electromagnetic interference signal transmission are conduction and radiation Conduction can be divided into conductive coupling inductive coupling and capacitive coupling For the conductive coupling in this article the approach of optocoupler independent power supply of single chip and an ignition system separate ground wire and grounding point of primary circuit of ignition system secondary circuit microcontroller circuits is introduced to the inhibite or eliminate the conductive coupling interference For interference from inductive coupling and capacitive coupling separate the wiring of the signal driving circuit and single chip circuit in the circuit design and take measures to isolate circuit boards For external coupling of electromagnetic radiation interference from ignition system in the paper a box shaped iron shielding shell and the shielding shell grounding method is used to shield the spark plugs and high tension line This method can be played at the same time the electric field and magnetic field shielding role When the above measures has been taken the experiment proved that the single chip control system is able to work properly at all times when the ignition system works KEY WORDS GASOLINEGASOLINE ENGINE ENGINE SINGLE CHIP SINGLE CHIP IGNITIONIGNITION SYSTEMS SYSTEMS ANTI JAMMINGANTI JAMMING 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 目前国内摩托车汽油机的排放现状 1 1 2 解决排放问题的主要措施 1 1 2 1 目前世界常用的措施 1 1 2 2 发动机电控技术和稀薄燃烧技术 2 1 3 本课题内容和目标 3 第二章第二章 大阳大阳 CG125CG125 汽油机点火系统干扰源特性分析汽油机点火系统干扰源特性分析 4 4 2 1 大阳 CG125 型汽油机点火系统及点火系统电磁干扰源 4 2 1 1 大阳 CG125 型汽油机点火系统 4 2 1 2 大阳 CG125 型汽油机点火系统电磁干扰源 4 2 2 大阳 CG125 型汽油机点火系统干扰源特性分析 5 2 2 1 干扰源分析 5 2 2 2 大阳 CG125 型汽油机点火系统次级点火回路中电流的频 谱分析 6 2 2 3 大阳 CG125 型汽油机点火系统电磁干扰源特性分析 9 2 2 4 以高压线上流过的次级电流为激励电流的电磁波计算和 分析 10 第三章第三章 点火系统抗干扰措施点火系统抗干扰措施 1919 3 1 传导干扰及抑制措施 19 3 1 1 沿导线传导的电磁干扰 19 3 1 2 公共电源内阻耦合 19 3 1 3 公共地线阻抗耦合干扰 20 3 1 4 电容耦合与电感耦合干扰 20 3 2 辐射耦合干扰及抑制措施 20 3 2 1 火花塞和高压线电磁辐射源屏蔽 20 3 2 2 点火驱动脉冲电缆的屏蔽 21 3 2 3 试验结果 21 第四章第四章 总结及展望总结及展望 2323 4 1 总结 23 4 2 结论 24 4 3 工作展望 24 参考文献参考文献 2525 致致 谢谢 2727 附附 录录 2828 第一章第一章 绪论绪论 摩托车发动机是车用发动机的一个重要成员 它的性能和排放是摩托车的主 要技术指标之一 我国是摩托车大国 目前我国摩托车产量占世界总产量的 50 年产量 1000 万辆 国内摩托车的保有量 5000 万辆以上 因此 面对日益 严峻的节能和环保问题 尤其是城市环保问题 解决摩托车的排放污染问题势在 必行 1 1 目前国内摩托车汽油机的排放现状 2008 年 7 月 1 日起开始摩托车第三阶段排放标准的新产品认证 并于 2009 年 7 月 1 日起要求所有新生产摩托车必须达到摩托车第三阶段排放标准 即国 标准 标准要求自实施之日起代替 GB18352 2 2001 轻型汽车污染物排放限值及 测量方法 II 即国 II 标准 即将实行的国 标准与现正在实行的国 标准相 比在以下三个方面有所提高 首先 增加了低温 冷起动后排气中 CO 和 HC 排放 试验 双怠速试验 车载诊断 OBD 系统及其功能等检测项目 其次 严格了排放 限值 第三 改变了 I 型试验和 W 型试验的试验规程 要满足国 标准 轻型车只需加装三元催化转化器并进行发动机的改进 而 要达到国 标准 则需要更多的排放控制技术 如采用更好的催化转化器活性层 催化剂加热 将催化转化器的安装位置靠近发动机 二次空气喷射 带有冷却装 置的排气再循环系统及优化的燃烧室涡流形式等 显然 与国 标准相比 国 标准的排放控制技术要复杂而困难得多 1 2 解决排放问题的主要措施 1 2 1 目前世界常用的措施 目前世界上控制排放的主要课题是对尾气的治理 处理汽车尾气的方法大体 分为机内净化和机外净化两种 机内净化是采用以改善发动机燃烧过程为主的各种机内净化技术 用可燃混 合气的质量和燃烧状态来控制有害气体的产生 使汽车排放中有害气体成分减至 最少 机内净化技术主要有 废气再循环 EGR 系统 可降低 NOx 的排放量 利 用电子控制汽油喷射装置 使混合气的成分严格控制在理论空燃比附近 从而达 到最低有害物排放 使用低污染燃料液化石油气 GPL 改进发动机点火系统等 机外净化又分为排放后处理技术和非排放污染物处理技术 排放后处理技术 是需相应地在发动机外部增设一些附属装置 使汽车排出的废气净化后再排入大 气 即使采用机外净化技术 也必须建立在良好的机内净化基础上 否则排放净 化效果不佳 反而还会影响各机外净化装置的使用寿命 机外净化技术主要包括 热反应器 二次空气喷射 即将新鲜空气通过空气 泵加压后输送到发动机气缸的排气门附近 利用排气的高温使废气中残留的 HC CO 再燃烧 以达到净化的目的 三元催化转化器 即利用化学催化剂对排 气进行净化处理 这是目前各类排放后处理技术中应用最广泛的一种技术 颗粒 捕集器 无铅汽油添加剂等 对于摩托车来说 由于其自身行业的特殊性 市场饱和 利润下降 急需降 低成本 以上所说的机外净化技术虽然不失为降低排放的良好措施 但是由于 成本的限制 很难在摩托车发动机上得以普及 另外 如前面所讲 即使采用机 外净化技术 也必须建立在良好的机内净化基础上 所以 为控制摩托车发动机 的排放 应从改善可燃混合气的质量和燃烧状态着手 为控制可燃混合气的质量和燃烧状态 目前常用的是采用电控技术和稀燃技 术 1 2 2 发动机电控技术和稀薄燃烧技术 发动机电子控制包括燃油喷射控制 点火时间控制 ESA 怠速控制 ISC 排气再循环 EGR 发动机爆震控制和其他相应的控制以及自诊断系统 后备系 统等 发动机电子控制能最大限度地提高发动机的动力性 改善发动机运转的经 济性 同时尽可能降低汽车尾气中有害物质的排放量 它是电子控制技术在汽车 上应用的主要部分 稀薄燃烧是 20 世纪 80 年代后期 首先在美国被提出的一项关于发动机燃烧 技术的理论 其基本思想是通过提高燃油发动机的空燃比 尽量增加空气的比例 使空气与燃油充分混合 最终使燃烧充分 达到能量充分转化的目的 稀薄燃烧 技术就是要在保证一定能量需要的情况下 找到能够充分燃烧时空气与燃油的比 例 并保证其可靠燃烧的技术 如果能够成功应用稀薄燃烧技术 从目前测算的 发动机燃油转化成动能的效率大约只有 40 来看 理论上其转化效率应该在 80 左右 此外 作为其附加效果 利用稀薄燃烧技术后 发动机废气排放对大气的 污染问题也能够得到改善 事实上 在燃油质量得到保证的条件下 发动机废气 对大气的污染程度与其充分燃烧的程度成正比 燃烧不充分 对大气的污染就高 燃烧越充分 对大气的污染就越低 目前 国内已经出现了利用稀薄燃烧技术生产的摩托车稀薄燃烧微电子控制 系统 可使发动机在全工况范围内按照稀薄混合 气 状态组织良好的燃烧 不仅 使油耗大幅度降低 同时也使得尾气中排放的 CO HC 等有害物质大幅度减少 取得了令人满意的效果 表 1 中所示是加装稀薄燃烧微电子控制系统的实验结果 表 1 1 摩托车工况法排放测试结果 原车加装后欧 欧 CO10 222 115 52 0 HC0 6481 0411 20 8 x NO0 0390 0920 30 15 1 3 本课题内容和目标 本次研究的课题便是基于稀薄燃烧下的电子控制技术 但由于摩托车上的电 子控制系统在工作过程中容易受到来自外界或内部的电磁干扰而发生参数改变和 死机现象 造成发动机的不正常工作而引起一系列的排放和动力经济性问题 所 以 应该采取一定的措施来抑制或消除这种干扰 以使发动机能够正常工作 汽 油机单片机控制系统的干扰主要来自点火系统 因此 要保证电控系统的正常工 作 必须要消除点火系统的干扰 本文详细分析了点火系统干扰源特性 并以高压线为例计算了电磁辐射对单 片机控制系统的电磁干扰 采取了综合抗干扰措施 保证单片机控制系统的正常 工作 第二章第二章 大阳大阳 CG125CG125 汽油机点火系统干扰源特性分析汽油机点火系统干扰源特性分析 2 1 大阳 CG125 型汽油机点火系统及点火系统电磁干扰源 2 1 1 大阳 CG125 型汽油机点火系统 大阳 CG125 型汽油机的点火系统简化示意图如下图所示 图 2 1 汽油机点火系统示意图 图中 断电器导通时点火线圈内的初级绕组电流 单位 1 imA 断电器断开时的次级绕组的电流 单位 2 imA 对于高能点火系统来说 初级电流 最大可达以上 初级电路断开瞬间 1 iA5 初级绕组中的电流连续下降 此时的初级线圈中的电流变化率很大 同时所产生 的感应电压幅值高达左右 此时的电流和电压突变造成了很大的传导干扰 V300 传导干扰有电导性耦合 也有点火脉冲电缆产生的电磁场对其他电路造成的电感 耦合干扰和电容性耦合干扰 2 1 2 大阳 CG125 型汽油机点火系统电磁干扰源 初级电路断开瞬间 次级绕组感应电压幅值高达左右 以此形成足够kV25 的点火电压和点火能量 使火花塞电极间隙击穿 产生强烈的火花放电 点火时 产生波形前沿很陡的电弧 其频谱在范围内具有很大的场强 形成MHz1000 10 很强的电磁干扰源 对单片机 点火信号驱动电路和传感器产生强烈的电磁辐射 干扰 同时在高压放电回路中形成陡峭的放电电流 该电流为宽带脉冲电流 2 i 带宽达 这种宽带脉冲通过高压线对外辐射电磁波 形成对周围MHz1000 15 0 环境的强电磁干扰 处于电磁波环境中的高压线作为一个良好的电磁发射天线 其辐射功率与激励电流的平方成正比 随着点火能量的提高 高压线上的电流增 大 对外辐射的功率增大 造成的电磁干扰也随之增强 因此 在点火系统中电磁辐射干扰源主要有以下两个方面产生 1 火花塞的中心电极和侧电极之间的火花放电 以电弧的形式向空间发 射电磁能量 2 因点火回路中有脉动电流流过 点火线圈和高压线等作为等效天线向 空间发射电磁能量 由于初 次级电路中的电压和电流中包含有直流分量 基波和众多的高次谐 波 在这较宽的频率范围内 由火花塞和高压线造成的电磁干扰既会产生近场耦 合干扰 也会造成远场的辐射干扰 所以 要有效地抑制和消除干扰必须全方位 的考虑火花塞和高压线的电磁干扰 2 2 大阳 CG125 型汽油机点火系统干扰源特性分析 2 2 1 干扰源分析 一 点火干扰 摩托车用发动机产生的无线电干扰主要来自发动机本身的点火系统 在点火 时 火花塞间隙被击穿形成一个强烈的火花放电过程 在此过程中形成非常陡峭 的冲击电流 可能激励其附属电路的振荡 并经高压点火线接头 由高压点火线 辐射出去 形成电磁波辐射 由于本研究用摩托车为风冷式发动机 为了利于散 热 发动机直接裸露 因此 这种由火花放电而形成的电磁波辐射 若不加以有 效抑制 则会对四周形成无线电干扰 影响发动机电控单元的正常工作 在数字 式 CDI 点火系统中 由于电控单元直接与点火器相连 所受的影响更大 二 电源波动干扰 在摩托车四冲程发动机工作过程中 各种用电设备由蓄电池及磁电机供电 存在着电源波动现象 对控制单元的工作影响很大 摩托车用四冲程汽油机的电源是蓄电池和磁电机 磁电机产生的交流电经整 流器变为直流电给蓄电池充电和向用电设备供电 磁电机的特点是必须通过飞轮 转动才能产生变化磁场而发电 而且 要产生电流 必须具有一定转速 转速越 高 电压也越高 蓄电池的特点是在储电充足的情况下可随时供电 蓄电池的负 荷在各种情况下是变化的 例如 在转弯时 摩托车需要减速 此时电压低 转 向灯闪烁暗淡 需要蓄电池供电 摩托车使用制动 以怠速运行时 此时电压低 制动灯暗淡 需要蓄电池供电 低速行驶使用喇叭时 低电压会使喇叭嘶哑 需 要蓄电池供电 夜间开大灯转弯时 鸣号行驶 遇紧急情况制动时 因电器负荷 过大 需要蓄电池和磁电机共同供电 由以上所述可知 蓄电池的放电情况是不 同的 而且摩托车上一般都没有安装磁电机调节器 电压波动较大 该电压波动 将影响到电控系统的正常工作 三 强电干扰 发动机工作时 喷油器 电动燃油泵等感性负载的驱动电路通断时 会产生 过电压和冲击电流 这些干扰信号不但影响驱动电路本身 还会通过电磁感应干 扰其他信号线路 这种强电干扰信号 能通过外部接口通道影响 ECU 内部 I O 接 口的状态 并通过 I O 接口进入 ECU 四 接地干扰 接地干扰一般由接地环路产生 而接地环路则由接地不当造成 在控制系统 的接口电路中 由于既有数字电路 模拟电路 同时又有驱动电路等 因此 当 其在不同位置接地时 接地点之间由于电位不相同也会有电位差出现 从而形成 接地环路 造成接地干扰 此外 在采用公用地线串联接地时 由于各负载不平 衡 过载等原因 也可能形成上述环路 并进而造成接地干扰 2 2 2 大阳 CG125 型汽油机点火系统次级点火回路中电流的频谱分析 实验测得该汽油机次级线圈回路中的电流随时间的变化量如图 2 2 所示 对 该数值做频谱分析 得出其幅频特性和相频特性 在 matlab 中的程序见附录 所得幅频特性和相频特性曲线如图 2 3 所示 如图 2 2 所示 次级电流的数值在汽油机点火周期内的数值变化范围从 2 i 0 13 1 68 并在高压放电瞬间形成能量强 冲击大的高电流 对于此时作mAmA 为等效辐射天线的高压线来说 次级电流作为辐射场的激励电流 向外的辐射 2 i 功率与激励电流的平方成正比 那么 在火花塞跳火瞬间 由于产生大功率高频 冲击电流 此时高压线向外辐射的能量将大幅增加 对于本课题中的点火电流信号 由于该信号以点火时间间隔为周期变化 而 且通过实验测得的信号为一系列离散的点 这些离散的数据在通过快速傅里叶变 换 做频谱分析时可看作是离散的周期信号 FFT 傅里叶变换是将时域的信号通过正交分解 分解成三角函数或复指数函数的 组合 也称为频域分析 频域分析是将时间变量变换成频率变量 揭示了信号内 在的频率特性以及信号时间特性与其频率特性之间的密切关系 对于本次频谱分析所用的周期信号 可分解为直流 基波 和各次谐 1 波 基波角频率的整数倍 的线性组合 如图 2 3 所示 幅频特性和相频 1 n 特性的横轴均为频率轴 横轴的坐标间隔为基波频率 即经傅里叶变换后 1 的频率特性只出现在各次谐波点上 图 2 2 次级电流 如图 2 3 所示 次级电流信号的频率分量中 在低频部分信号的幅值较大 而各相邻谐波的幅值相差较小 在低频频段内的辐射能量密度小而分而相对高频 部分 信号能量幅值相对较小 变化频繁 而且能量密度大 因此 为保证高压 线附近电子设备的可靠工作 应针对从低频到高频的宽波辐射特点 采取抗干扰 措施 图2 3 图 图 图 图 图 图 图 图 2 2 3 大阳 CG125 型汽油机点火系统电磁干扰源特性分析 根据图 2 3 所示的频谱图可见 次级电流信号的频率分量中 在低频部分信 号的幅值较大 而各相邻谐波的幅值相差较小 在低频段内的辐射能量密度小而 分散 而相对的高频部分 信号能量幅值相对较小 变化频繁 而且能量密度大 而这些频率分量将引起等效天线附近产生电磁场 造成这种电磁辐射的真正 场源是天线上的电流 根据电磁波辐射形式和传播形式的不同 又可将电磁波分为近场辐射和远场 辐射 远场和近场的界定可通过式 2 1 计算可得 2 1 2 00 k 式中 自由空间相移系数 单位 1k 信号角频率 单位 srad 自由空间的介电常数 单位 0 36 10 9 0 mF 自由空间导磁率 单位 0 7 0 104 mH 电磁波的波长 单位 m 式中 电磁场中场点和源点之间的距离 单位 的区域称为近1 krrm 区场 在近区场内电场和磁场之间存在的相位差 能量在电场和磁场以及场和 2 源之间交换而没有辐射 所以近区场又称为感应场 而 kr 1 的区域称为远区场 远区场的特点是 电场强度和磁场强度的数值都与 成反比 电磁波的传播速度r 电场强度和磁场强度的计算式中都含有相位因子 说明辐射场 00 1 c jkr e 的等相位面为 等于常数的球面 所以称其为球面波 电场强度 磁场强度和坡r 印廷矢量的方向相互垂直 且符合右手螺旋定则 传播方向上电磁波的分量为 0 故称其为横电磁波 波 TEM 电场强度和磁场强度的比值为常数 称为煤质的波阻抗 记为 对于本文所研究的自由空间 120 0 0 4 电场强度和磁场强度的数值与成正比 说明电磁场的辐射特 sin 性具有方向性 辐射波不是均匀球面波 以点火回路次级电流为激励电流 由于点火时频谱噪声在范围MHz1000 10 内具有很大的场强 根据天线电磁理论 电磁辐射的近场半径为 2 2 m f c r 6 0 108 4 048 0 22 式中 电磁波传播速度 单位 csm 电磁波频率 单位 fHz 即单片机控制系统处于高压线电磁场的低频远场 高频近场内 2 2 4 以高压线上流过的次级电流为激励电流的电磁波计算和分析 点火系统的火花塞在跳火瞬间 中心电极和侧电极之间的火花放电 以电弧 形式向空间发射电磁波 同时点火回路中的脉动电流也产生电磁波通过等效天线 向外发射 此时 处于这种混合电磁场中的高压线作为良好的等效发射天线 以 其自身作为源点在其周围空间中形成电磁场 对于高压线来说 可等效为一个行波单导线 行波单导线是指天线上的电流 按行波分布的单导线天线 设长度为 的导线沿轴放置 导线上电流按行波分lZ 布 即天线沿线各点电流振幅相等 相位连续滞后 其馈电点置于坐标原点 其 模型如图 2 4 所示 图 2 4 行波单导线模型 对于电磁场分布较复杂的行波单导线 可以将天线分割成许多个电基本振子 而后取所有电基本振子的辐射场之和 即可将行波单导线分割成许多个微元体 即电基本振子 求出单个微元电磁场分布后 对高压线的长度进行线积分 电基 本振子的模型和坐标系见图 2 5 其中电场强度和磁场强度的下标指 EHE 沿该量增大的方向 H 电基本振子又称电流元 是指一段理想的高频电流直导线 长度 远小于波l 长 其半径远小于 同时振子沿线的电流处处等幅同相 alI 在近区场内 2 3 jkr e r Il jH sin 2 2 4 jkr e r Il jE sin 60 2 5 0 EEHH rr 式中 磁场强度 单位 HH 电流强度 单位 EF 激励电流 在本文中为高压线上流过的次级电流 单位 IA 导线长度 单位 在本文中lmmcml4 040 方位角 单位 1 图 2 5 电基本振子模型 在远区场内 2 6 sin 4 2 r Il H 2 7 cos 2 4 0 3 r Il jEr 2 8 sin 2 4 0 3 r Il jE 2 9 0 HHE r 由于电磁场辐射在远区场具有方向性 在相同距离的条件下天线辐射场的相 对值与空间方向的关系 绘制成的图形称为方向图 又称为波瓣图 波瓣 图形象地表示了其辐射场在空间各个方向上的分布 或平面叫做面 因xzyzE 为辐射场的矢量在该平面上 而矢量与之垂直 平面叫做面 因为EHxyH 矢量在这个平面上而矢量与之垂直 面和面叫做天线的两个主平面 HEEH 在波瓣图上 通常不止一个波瓣 最大的波瓣叫做主瓣 较小的波瓣叫做旁 瓣 由于高压线上流过的电路在非点火时刻主要集中在左右 因此 取 AI15 0 进行分析 AI15 0 时 根据式 2 1 其远场半径 Hzf1000 2 10 m f c k r 4 0 1077 4 2 1 即在这样的条件下 高压线向外的电磁辐射在单片机工作空间内均属近场干 扰 其辐射强度在空间的变化关系如图 2 6 1 2 6 2 所示 由图 2 6 1 2 6 2 近场干扰的电场和磁场强度在相对较远的距离 大角度 方向上数值有大幅增加 因此 可根据该曲线选择单片机控制系统与高压线的相 对位置 时 在本论文所研究的距离范围内 该电磁干扰也是 z MHf1 mr 7 47 0 近场干扰 其辐射强度变化曲线与图 2 6 1 2 6 2 相仿 在此不做过多分析 时 此时单片机控制系统可能处于远场辐射范围 z MHf1000 mr048 0 0 内 其辐射强度随方位的变化曲线如图 2 7 1 2 7 2 2 7 3 所示 r 图 2 6 1 电场强度随的变化曲线 E r 图 2 6 2 磁场强度随的变化曲线 H r 图 2 7 1 磁场强度随 的变化关系 H r 图 2 7 2 电场强度随 的变化关系 r E r 由图 2 7 1 2 7 2 2 7 3 可见 在远场高频段 电磁波辐射能量中的电场强 度和磁场强度均在一特定的距离大幅上升 并有很高的辐射能量值 综合图 2 6 1 2 6 2 和图 2 7 1 2 7 2 2 7 3 可知 在同一激励电流值下 对应于不同的频 率 天线的辐射特性都有所不同 因此 为有效减小和消除高压线对单片机控制 系统的辐射干扰 应综合考虑高低频段的辐射特点 选择高压线和单片机控制系 统的相对布置形式 在点火时刻 火花塞跳火瞬间次级电路中的电流有一个很高幅值的突变 如 图 2 2 所示 此时的电流所激励的电磁场特性与以上所分析的辐射特性有所不同 此处先以次级电流曲线上升段的值分析如下 mAi25 0 时 mAi25 0 z Hf1000 根据式 2 10 4 0 1077 4 2 1 f c k r 在本文所研究的距离内 单片机控制系统所受的干扰为近场干扰 其电场强 度和磁场强度值如图 2 8 1 2 8 2 所示 图 2 7 3 电场强度随 的变化关系 E r 图 2 8 1 电场强度随的变化曲线 E r 图 2 8 2 磁场强度随的变化曲线 H r 时 在本论文所研究的距离范围内 该电磁干扰也是 z MHf1 mr 7 47 0 近场干扰 其辐射强度变化曲线与图 2 8 1 2 8 2 相仿 在此不做过多分析 时 此时单片机控制系统可能处于远场辐射范围 z MHf1000 mr048 0 0 内 其辐射强度随方位的变化曲线如图 2 9 1 2 9 2 2 9 3 所示 r 图 2 9 1 电场强度随 的变化关系 r E r 图 2 9 2 磁场强度随 的变化关系 H r 由于远场半径与激励电流无关 当电流值达到波峰时 其相应的辐射强度 2 i 加强 但是随 变化趋势和图 2 9 1 2 9 2 2 9 3 相同 在此不作详细分 r 析 图 2 9 3 磁场强度随 的变化关系 H r 第三章第三章 点火系统抗干扰措施点火系统抗干扰措施 对于点火系统而言 电磁干扰信号传输耦合的途径主要有传导和辐射两种方 式 传导耦合可以是电导性耦合也可以是电感性耦合和电容性耦合 而辐射干扰 是以电磁场的形式传输耦合的 3 1 传导干扰及抑制措施 3 1 1 沿导线传导的电磁干扰 点火系统工作时 点火线圈初级回路电压和电流的快速变化要向单片机和采 样模块传输频谱相当宽的尖脉冲传导干扰 为抑制点火线圈初级回路对单片机和采样模块的传导干扰 本系统在单片机 和点火信号驱动电路之间采用光电耦合器 光电耦合器的输入阻抗很小 而干扰 源很大 因此初级回路中的尖脉冲干扰能分压到光电耦合器输入端的噪声很小 初级回路干扰电压虽有较大的电压幅度 但能量小 只能形成微弱的电流 另外 光电耦合器的输入输出回路间分布电容极小且绝缘电阻很大 因此初级回路的干 扰很难通过光电耦合器进入单片机侧 总之 光电耦合器将单片机和点火系统初 级回路完全隔离开来 阻断了点火系统初级电路的传导干扰 3 1 2 公共电源内阻耦合 当多个电路单元共用一个电源时 由于电源内阻的存在 一个电路单元的工 作电流发生任何变化都会影响其他电路单元的工作电压 从而造成干扰 对单片 机控制系统来说 其工作电流较小 而点火系统尤其是高能点火系统工作电流大 且有很大的尖脉冲 点火系统的工作会对电源产生影响从而对单片机的工作造成 干扰 对此 采取单片机和点火系统独立供电 消除点火系统工作对单片机的干 扰 为进一步提高单片机的工作可靠性 在单片机电源入口处串接变换DCDC 器 使单片机电源和外界供电电源彻底隔离 以减小电源和地线干扰 3 1 3 公共地线阻抗耦合干扰 点火系统初级和次级电路工作电流较大 更重要的是它的电流变化大 若点 火系统初级和次级电路与其它电路与设备共用公共地线 则不可避免地会造成点 火初级电路与次级电路对单片机控制系统和其他设备的公共地线阻抗耦合干扰 为解决公共地线阻抗的耦合干扰 单片机和点火信号驱动电路之间采用光电 耦合 使提供点火信号的单片机电路地线和点火信号驱动电路与点火系统电路地 线分离 从而解决点火系统初级和次级电路地线对单片机电路的耦合干扰 此外 为彻底解决公共地线阻抗的耦合 点火系统初级电路 含点火信号驱动电路 次级电路 单片机电路 采样模块均单独设置地线 并在一点接地 3 1 4 电容耦合与电感耦合干扰 点火信号驱动电路工作电流大 且电压和电流有剧烈变化 若点火信号驱动 电路和单片机及初级电压电流传感器电路距离很近 则由于分布电感和分布电容 的存在 将发生电感耦合和电容耦合 造成点火信号驱动电路对单片机电路和初 级电压电流传感器电路的干扰 由于点火信号驱动电路和单片机及初级电压电流 传感器设计在一个电路板上 此现象极易发生 为解决此电容耦合与电感耦合干扰 在电路设计上采取点火信号驱动电路和 单片机电路分开设计布线 并在电路板上采取隔离措施 3 2 辐射耦合干扰及抑制措施 3 2 1 火花塞和高压线电磁辐射源屏蔽 点火系统中电磁辐射主要由火花塞和高压线产生 干扰能量通过空间电磁波 的形式传播到单片机控制系统中产生辐射干扰 火花塞间隙跳火和高压线产生的 电磁辐射均为高频电磁辐射 需要进行高频电磁屏蔽 将火花塞和高压线屏蔽起 来以减少干扰源的强度 火花塞高压线电磁辐射的特点是频率高 电磁辐射能力强 电磁辐射趋向于 远场干扰 即使在近距离内也可能出现远场干扰 远场干扰中的电场 磁场均不 能忽略 因此对火花塞高压线电磁辐射源的屏蔽要对电场和磁场同时屏蔽 本设计用盒状铁屏蔽壳将高压线和火花塞屏蔽起来 屏蔽壳接地 具有对电 场和磁场同时屏蔽的作用 对电场屏蔽来说 影响电屏蔽效能的一个主要因素是分布电容 减少分布电 容就能提高屏蔽效能 结构上尽可能减少盒盖与盒体间的接触阻抗及盒体的接触 电阻 对电磁屏蔽 设计的关键是减少接缝和避免腔体谐振 实际制造的屏蔽体要 开电缆孔 屏蔽盒的盖子会使屏蔽体产生接缝 这些孔逢构成了电磁波的泄漏源 特别是对点火系统这样的高频电磁波 孔缝的泄露是十分严重的 它们对屏蔽体 的屏蔽起着重要的影响作用 对此必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏 本设计屏蔽体采用整体焊接的盒状带盖结构 缝隙主要是盒体和盒盖的缝隙 为了减少缝隙的泄漏 采取增加缝隙深度的办法 根据电磁场理论 具有一定深 度的缝隙可看作波导 而波导在一定条件下可以对其内部传播的电磁波进行衰减 深度越深 衰减越多 本设计的缝隙深度达到 mm30 屏蔽体上要开 3 个用于穿电缆的小孔 一个是为初级线圈提供点火驱动脉冲 的电缆孔 另一个是次级电压 电流传感器信号线电缆孔 为了提高屏蔽性能 这 3 个孔尽可能小 3 个小孔的直径约为 开孔是否会泄露电磁波 取决于mm6 孔的大小相对于电磁波波长的尺寸 当波长远大于孔的尺寸时 并不会产生明显 的泄露 点火系统电磁辐射频率最高达 屏蔽的上限频率可以按 z MH1000 考虑 波长为 远大于开孔直径 因此 3 个小孔不会产生明显的 z MH1000mm300 泄露 3 2 2 点火驱动脉冲电缆的屏蔽 在点火信号驱动电路到点火线圈初级的连接电缆中流动着初级电流如图 3 1 所示 此电流大而变化剧烈 连接电缆将成为高效的辐射天线 对其他电路产生 较大的辐射干扰 因此对从点火信号驱动电路到点火线圈的连接电缆进行屏蔽 并尽量减短连接电缆的长度 3 2 3 试验结果 通过次级电路和次级电路中电压和电流的对比 证明采用以上措施后 可有 效抑制点火系统对单片机控制系统的干扰 如图 3 2 所示 如图 3 2 所示 采用屏蔽和抑制措施后 初次级电压和电流只在点火时刻有 一定的冲击值 并且与之前相比 这个冲击值的持续时间较短 说明本论文中所 采用的抗干扰措施行之有效 图 3 2 采取屏蔽措施后的电路参数波形 图 3 1 初级电路电流波形 第四章第四章 总结及展望总结及展望 4 1 总结 摩托车发动机是车用发动机的一个重要成员 它的性能和排放是摩托车的主 要技术指标之一 我国是摩托车大国 因此 面对日益严峻的节能和环保问题 尤其是城市环保问题 解决摩托车的排放问题势在必行 但是用于总体控制摩托车整机工作性能的单片机控制系统处于较为严酷的工 作环境中 这个环境中 由于并行工作的其他电子系统向空间发射电磁波 通过 改变单片机系统与其下属元件之间的控制字和信号传输方式的方法使单片机系统 不能安全可靠地工作 这将直接影响电控系统的控制精度 从而间接影响电控发 动机的动力经济性能和排放性能 这是人们所不愿看到的 为了探索作为单片机 控制系统主要电磁干扰源的点火系统对电控系统的干扰 本文将研究课题定为 摩托车电控汽油机点火系统干扰及抑制研究 课题中使用大阳摩托车汽油机 原发动机采用 磁电机无触点电125CGCDI 容放电式 点火系统 采用柱塞平吸式化油器型式 为适应国 标准要求 本文 采用基于稀燃技术下的电控形式 为消除和抑制点火系统对电控单元的干扰 本 文中着重分析了干扰源特性 并做了特性分析 频谱分析 基于此 以高压线 为例计算了天线辐射场的辐射特性 针对各种干扰形式 本文中采用了相应的抗 干扰措施 对于点火系统而言 电磁干扰信号传输耦合的途径主要有传导和辐射两种方 式 传导耦合又可分为电导性耦合 电感性耦合和电容性耦合 针对电导性耦合 本文中采用光电耦合器 单片机和点火系统独立供电 点火系统初级电路 次级 电路 单片机电路等单独设置地线 并在一点接地的方法来抑制和消除电导性耦 合干扰 针对电容耦合和电感耦合干扰 在电路设计上采取点火信号驱动电路和 单片机电路分开设计布线 并在电路板上采取隔离的措施 针对点火系统对外的 电磁辐射耦合干扰 本文中采用盒状铁屏蔽壳将火花塞和高压线屏蔽起来 屏蔽 壳接地的方法 此方法可同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用 4 2 结论 1 汽油机点火系统有很强的传导干扰和辐射干扰 需要采取措施防干扰 2 在点火系统中电磁干扰辐射干扰源主要由火花塞和高压线产生 在较宽 的频率范围内 由火花塞和高压线造成的电磁干扰既会产生近场耦合干扰 也会 造成远场辐射干扰 3 对于点火系统而言 电磁干扰信号传输耦合的途径主要有传导和辐射两种 方式 传导耦合可以是电导性耦合也可以使电感性耦合和电容性耦合 而辐射干 扰是以电磁场的形式传输耦合的 4 造成高压线上电磁辐射的真正场源是流过高压线上的电流 本文中以次 级电流为例进行计算 在点火能量上升时 次级电流增大 而天线的辐射能量 与激励电流的平方成正比 因此 要想降低辐射干扰 需降低次级电流 5 针对电导性耦合 可采用光电耦合器 单片机和点火系统独立供电 点 火系统初级电路 次级电路 单片机电路等单独设置地线 并在一点接地的方法 来抑制和消除电导性耦合干扰 针对电容耦合和电感耦合干扰 在电路设计上采 取点火信号驱动电路和单片机电路分开设计布线 并在电路板上采取隔离的措施 针对点火系统对外的电磁辐射耦合干扰 可采用盒状铁屏蔽壳将火花塞和高压线 屏蔽起来 屏蔽壳接地的方法 此方法可同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用 4 3 工作展望 对于本文的工作的继续研究和发展 提出如下建议 1 本文中实验数据进行采样时的采样频率是 但是由于点火时刻火花塞放 z MH1 电时间极短 即使是现有的采样频率也会导致在火花塞放电瞬间对应的电压和电 流值漏采现象 为提高数据的可靠性和计算精度 应进一步提高采样频率 2 根据摩托车的特点 要求造价低 结构简单 为适应市场需求 应尽量降低 用于抗干扰措施的成本 从而降低摩托车发动机的整机制造成本 参考文献参考文献 1 李南南 吴清 曹辉林 MATLAB7简明教程 清华大学出版社 2005 2 张华清 许昌玉 赵志军 信号与系统分析 机械工业出版社 2006 3 杨铁皂 汽油机点火系统参数测量系统干扰及抑制 4 蔡治兴 当前我国摩托车市场概况 摩托车技术 2001 9 26 5 郑玉山 关于中国摩托车工业发展的几点建议 车用发动机 1999 1 5 7 6 颜伏武 摩托车排放控制政策现状与展望 摩托车技术 2001 6 3 5 7 扬家强 摩托车排气污染控制技术初探 摩托车技术 2001 7 7 9 8 潘旭峰 现代汽车电子技术 北京理工大学出版社 1998 1 7 23 9 薛福民 我国摩托车行业正向高技术领域挑战 摩托车技术 1999 7 1 2 10 于曰桂 我国摩托车技术发展现状及前景 摩托车技术 2000 5 3 5 11 徐祗锋 摩托车的电磁辐射干扰及测试 摩托车技术 2001 2 17 20 12 隋修武 摩托车无线电骚扰标准简介 摩托车技术 2001 11 15 13 阮烨 摩托车发动机电控系统的研究 摩托车技术 2001 4 11 12 18 14 王颂秦 台湾摩托车排放控制和低污染摩托车研制 小型内燃机 1996 5 17 19 15 陈波宁 曾科 周龙保 电控汽油喷射系统中的抗干扰技术 小型内燃机 1999 4 38 40 48