電磁兼容預測技術ppt課件

1、 汽車電磁兼容預測技術汽車電磁兼容預測技術1 電磁兼容性預測概述電磁兼容性預測概述 2 國外電磁兼容性預測的發(fā)展狀況國外電磁兼容性預測的發(fā)展狀況3 汽車電磁兼容性預測的工作內(nèi)容汽車電磁兼容性預測的工作內(nèi)容4 MICROSTRIPES軟件應用于汽車軟件應用于汽車電磁兼容預測電磁兼容預測 1 電磁兼容性預測概述電磁兼容性預測概述 基本原理基本原理基本方程基本方程數(shù)學方法數(shù)學方法電磁兼容性電磁兼容性預測預測解析法解析法近似法近似法數(shù)值法數(shù)值法1.1 電磁兼容性預測基本原理電磁兼容性預測基本原理 一、為什么要電磁兼容預測一、為什么要電磁兼容預測 1. 1. 事后問題解決法：徹底解決困難，可事后問題解決

2、法：徹底解決困難，可能重新設計，成本高、周期長、性能下降。能重新設計，成本高、周期長、性能下降。 2. 2. 系統(tǒng)設計法：設計階段進行干擾預測系統(tǒng)設計法：設計階段進行干擾預測和分析，成本低、可用技術多和分析，成本低、可用技術多時間時間技術、本錢技術、本錢設計階段設計階段聯(lián)試階段聯(lián)試階段生產(chǎn)階段生產(chǎn)階段本錢本錢可用技術可用技術電磁兼容性預測電磁兼容性預測(Electromagnetic Compatibility Prediction)： 在設計階段通過理論計算的方法對電氣、在設計階段通過理論計算的方法對電氣、電子元件、設備乃至整個系統(tǒng)的電磁兼容特電子元件、設備乃至整個系統(tǒng)的電磁兼容特性進行分析

3、、評估。性進行分析、評估。二、定義：二、定義：u 應用在方案設計階段和工程研制階段；應用在方案設計階段和工程研制階段；u 分析不兼容的薄弱環(huán)節(jié)，評價系統(tǒng)或設分析不兼容的薄弱環(huán)節(jié)，評價系統(tǒng)或設備兼容的安全裕度，為方案修改、防護設計備兼容的安全裕度，為方案修改、防護設計提供依據(jù)；提供依據(jù)；u 在研制定型之前通過預先測知、發(fā)現(xiàn)干在研制定型之前通過預先測知、發(fā)現(xiàn)干擾問題，采取抑制和防護干擾的措施；擾問題，采取抑制和防護干擾的措施；u 事半功倍，具有很高經(jīng)濟效益。事半功倍，具有很高經(jīng)濟效益。三、特點：三、特點：四、方法：四、方法：計算機數(shù)字仿真技術計算機數(shù)字仿真技術用數(shù)學模型描述各種電磁干擾特用數(shù)學模型

4、描述各種電磁干擾特性、傳輸函數(shù)和敏感度特性性、傳輸函數(shù)和敏感度特性編制預測程序編制預測程序獲得潛在的電磁干擾計算結(jié)果獲得潛在的電磁干擾計算結(jié)果運行預測程序運行預測程序五、作用：五、作用：1. 1. 在已知設備電氣特性參數(shù)情況下，預測在已知設備電氣特性參數(shù)情況下，預測分析系統(tǒng)內(nèi)部所有設備的電磁兼容程度。分析系統(tǒng)內(nèi)部所有設備的電磁兼容程度。2. 2. 當修改某個設備的特性參數(shù)時，分析電當修改某個設備的特性參數(shù)時，分析電磁干擾的變化。磁干擾的變化。3. 3. 對各種電磁防護設計的評估計算。對各種電磁防護設計的評估計算。4. 4. 制定干擾極限和敏感度規(guī)范。制定干擾極限和敏感度規(guī)范。1.2 電磁兼容性

5、預測基本方程電磁兼容性預測基本方程 n 干擾源產(chǎn)生的干擾信號干擾源產(chǎn)生的干擾信號 ：),( ftGn 傳輸函數(shù)傳輸函數(shù) ：),(rftT n 傳播到傳播到r r處的干擾信號：（處的干擾信號：（dBWdBW）),(),(),(rftTftGrftP n 敏感設備的敏感度閾值：敏感設備的敏感度閾值： ),( ftS（dBWdBW）備注：以上單位均為備注：以上單位均為dBW dBW n 干擾裕度干擾裕度Interference Margin，IM）：）： ),(),(IM ftSrftP 電磁兼容性預測基本方程，預測的基礎電磁兼容性預測基本方程，預測的基礎 IM 0，發(fā)生干擾，干擾源和敏感設備不兼容

6、，發(fā)生干擾，干擾源和敏感設備不兼容 0，兩者兼容，兩者兼容 IM 越大，干擾越嚴重，安全裕度越小；越大，干擾越嚴重，安全裕度越??； IM 越小，干擾越輕微，安全裕度越大；越小，干擾越輕微，安全裕度越大；電磁兼容預測的數(shù)學實質(zhì)：電磁兼容預測的數(shù)學實質(zhì)：1.3 電磁兼容性預測的數(shù)學方法電磁兼容性預測的數(shù)學方法 根據(jù)一定的邊界條件來求解根據(jù)一定的邊界條件來求解Maxwell微分方程或微分方程或Maxwell積分方程的確定解。積分方程的確定解。邊值問題求解三種方法：邊值問題求解三種方法：解析法；解析法；近似法；近似法；數(shù)值方法；數(shù)值方法； 一、解析法：一、解析法：n 建立和求解嚴格的偏微分方程或積分方

7、程；建立和求解嚴格的偏微分方程或積分方程；n 微分方程：分離變量法微分方程：分離變量法n 積分方程：變換數(shù)學法積分方程：變換數(shù)學法 n 優(yōu)點：可將解表示為已知參數(shù)的函數(shù)，精確優(yōu)點：可將解表示為已知參數(shù)的函數(shù)，精確的結(jié)果；作為近似法和數(shù)值法的檢驗標準。的結(jié)果；作為近似法和數(shù)值法的檢驗標準。n 缺點：僅能用于解決很少量的問題，只有少缺點：僅能用于解決很少量的問題，只有少數(shù)坐標系中能分離變量，而用積分法時往往又數(shù)坐標系中能分離變量，而用積分法時往往又求不出結(jié)果，致使分析過程既困難又復雜求不出結(jié)果，致使分析過程既困難又復雜 。二、近似法：二、近似法：n 近似法：近似法： n 1.1.逐步逼近法、微擾法

8、、變分法、迭代變逐步逼近法、微擾法、變分法、迭代變分法分法n 2.2.結(jié)果一般都表示為級數(shù)。結(jié)果一般都表示為級數(shù)。n 3.3.可以求解一些用嚴格法不能解決的問題，可以求解一些用嚴格法不能解決的問題，簡便。簡便。 n 高頻近似技術：高頻近似技術：n 幾何光學法幾何光學法Geometrical OpticsGeometrical Optics，GOGO）n 物理光學法物理光學法Physical OpticsPhysical Optics，POPO）n 幾何繞射法幾何繞射法GTDGTD）n 物理繞射法物理繞射法PTDPTD）幾何繞射理論幾何繞射理論（Geometrical Theory of Dif

9、fraction, GTD） 繞射場沿繞射射線傳播，繞射射線是從源點繞射場沿繞射射線傳播，繞射射線是從源點經(jīng)繞射點至場點的極短傳播路徑；經(jīng)繞射點至場點的極短傳播路徑； 繞射只取決于物體上繞射點鄰域內(nèi)的物理特繞射只取決于物體上繞射點鄰域內(nèi)的物理特性和幾何特性；性和幾何特性； 離開繞射點后，繞射射線沿直線傳播；離開繞射點后，繞射射線沿直線傳播； 在繞射射線管內(nèi)能量守恒；在繞射射線管內(nèi)能量守恒； 繞射場沿射線的相位延遲，等于媒質(zhì)的傳播繞射場沿射線的相位延遲，等于媒質(zhì)的傳播常數(shù)與傳播距離的乘積。常數(shù)與傳播距離的乘積?；靖拍睿夯靖拍睿哼吘壚@射邊緣繞射 尖頂繞射尖頂繞射 曲面繞射曲面繞射 n 輻射和散

10、射問題的高頻近似解是直射場、輻射和散射問題的高頻近似解是直射場、反射場和繞射場的疊加；反射場和繞射場的疊加；n 射線尋跡：確定反射點和繞射點，并求出射線尋跡：確定反射點和繞射點，并求出源點經(jīng)反射點或繞射點的極值路徑，得到反源點經(jīng)反射點或繞射點的極值路徑，得到反射、繞射軌跡。射、繞射軌跡。n 在物體幾何形狀復雜或者有遮擋時比較復在物體幾何形狀復雜或者有遮擋時比較復雜，必須用數(shù)值計算方法進行射線尋跡。雜，必須用數(shù)值計算方法進行射線尋跡。n 找出了反射線和繞射線后，即可通過疊加找出了反射線和繞射線后，即可通過疊加方法求出場點處的總場。方法求出場點處的總場。 求解方法：求解方法：三、數(shù)值法：三、數(shù)值法

11、：n 求解由于邊界復雜而不能解決的問題；求解由于邊界復雜而不能解決的問題；n 通常用差分代替微分，用有限求和代替通常用差分代替微分，用有限求和代替積分；積分；n 使電磁場問題有可能通過計算機輔助分使電磁場問題有可能通過計算機輔助分析獲得高精度的離散解數(shù)值解）。析獲得高精度的離散解數(shù)值解）。頻域數(shù)值算法：頻域數(shù)值算法：有限元法有限元法(Finite Element Method， FEM)矩量法矩量法(Method Of Moment，MOM)差分法差分法(Finite Difference Methods，F(xiàn)DM)邊界元法邊界元法(Boundary Element Method，BEM)傳輸線

12、法傳輸線法(Transmission-Line-matrix Method， TLM)快速多極子算法快速多極子算法(Fast Multipole Algorithm，F(xiàn)MA)常用的數(shù)值算法常用的數(shù)值算法時域數(shù)值算法：時域數(shù)值算法： 時域有限差分法時域有限差分法 (Finite-Difference Time-Domain Method ，F(xiàn)DTD) 有限積分法有限積分法 (Finite Integration Technology，F(xiàn)IT)， 時域平面波算法時域平面波算法 (Plane-Wave Time-Domain Algorithm， PWTD) 1.4 汽車電磁兼容性預測的研究任務 電

13、池兼容性預測主要是研究以下三個方面： a系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境 b系統(tǒng)內(nèi)干擾耦合途徑 c系統(tǒng)內(nèi)干擾控制a 系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境 主要由系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的信號環(huán)境和人 為噪聲環(huán)境組成。在一個完整的應用系統(tǒng)里，系統(tǒng)的一部分對另一部分來說，很可能是“敵 對環(huán)境。b 系統(tǒng)內(nèi)干擾耦合途徑 天線天線耦合途徑：干擾源與敏感設備通過空間輻射耦合。 天線線纜耦合途徑：干擾源輻射的電磁波通過敏感器的連接導線感應出電壓或電流進入設備電路。 機殼機殼耦合途徑：設備機殼金屬面充當電磁邊界，用來傳播騷擾源電磁場。并通過另一設備的機殼作為感受邊界，將騷擾能量感應到敏感設備中。 線線耦合途徑：設備連接導線中的電壓或電流在相鄰導線中感應耦合，

14、造成與相鄰導線相連接的設備被干擾。 共阻抗耦合途徑：設備通過公共阻抗共地阻抗或共源阻抗產(chǎn)生電磁耦合。c 系統(tǒng)內(nèi)干擾控制 從系統(tǒng)全局出發(fā)，制定分系統(tǒng)和設備EMC規(guī)范、天線布局、EMC布線要求、搭接規(guī)范、以及制定必要的工藝規(guī)程，也就是通過設備功率、頻率、時間、空間位置、方向、性能等6個方面的合理協(xié)調(diào)來取得系統(tǒng)電磁兼容性。2 國外汽車電磁兼容性預測的發(fā)展狀況 汽車很早就成為電磁兼容研究的重點對象，早在1932年美國廣播工程師協(xié)會(IRE)論文集上就登載了一篇關于汽車接收機干擾的文章。到20世紀60年代以后，汽車電氣設備大量增加，許多國家和國際性組織都針對汽車推出了產(chǎn)品電磁騷擾發(fā)射(EMI)標準和電磁

15、敏感度(EMS)規(guī)范。1983年K Blackmore給出了汽車EMC失效的幾種模式，分析了汽車EMC測試的重要性。1987年，Michel FSultan等提出隨著車載電子設備的增多，汽車EMC測試增加，相應的解決成本也增加了。因而，采用系統(tǒng)級EMC預測技術非常重要，它可以幫助解決汽車EMC問題。1992年，IENoble回顧了前40年汽車電子的發(fā)展以及汽車EMC工作，總結(jié)指出汽車EMC問題主要有四個方面：傳導騷擾、傳導敏感度、輻射騷擾、輻射敏感度。2000年，F(xiàn)lavio CANAVERO、JCKEDZIA、ATaflove等指出了汽車早期設計階段EMC預測的重要性，對汽車EMC預測方法進

16、行了探討，并以汽車EMC實際應用驗證了其可行性。2.1 發(fā)達國家的汽車電磁兼容體系目前，世界上汽車發(fā)達國家對汽車電磁兼容研究已經(jīng)取得了一些成就，形成了一套汽車電磁兼容體系。這主要表現(xiàn)在如下四個方面：a具有較為完善的汽車電磁兼容測試標準和規(guī)范；b具有有效的對汽車整車和零部件進行電磁兼容檢測、管理和認證的機構(gòu)；c具有高精度的汽車電磁兼容測試系統(tǒng)；d研制出了大型的汽車電磁兼容預測、分析和設計軟件。2.2 較為完善的汽車電磁兼容標準規(guī)范國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)、國際無線電干擾特別委員會(CISPR)、美國汽車工業(yè)協(xié)會(SAE)、德國標準局(DIN)、德國電氣工程師協(xié)會(VDE

17、)等組織均在其文件中規(guī)定了抗干擾檢測的干擾類型及嚴格等級，幾乎所有的汽車制造商和汽車電子產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家均接受這些標準或把這些標準增補為自己的企業(yè)標準。2.3 眾多大型的電磁兼容實驗室德國大眾從1965年起，開始建立了露天的汽車防無線電干擾試驗臺，到7O年代不斷改進和完善，1978年引進了較先進的測試設備，1985年大力推進汽車電磁兼容中心體系的籌建工作，1987年全新的汽車電磁兼容中心竣工。法國PSA公司電磁兼容實驗室共有三個暗室：一個用于整車，一個用于零部件和車用接收機調(diào)整，另外一個專門用于零部件測試。測試整車的暗室尺寸為15.5m10m6113，轉(zhuǎn)臺直徑8.4m，軸距調(diào)整范圍為200037

18、00mm。歐洲各國EMC實驗室總計上百個，其它擁有大型汽車EMC實驗室的機構(gòu)有德國寶馬汽車公司、奧迪汽車公司、法國UTAC、英國汽車工業(yè)研究會(MIRA)、意大利菲亞特等。2.4 開展汽車電磁兼容預測技術研究汽車電磁兼容研究以前基本局限在試驗上，但是隨著電動汽車和混合驅(qū)動汽車的出現(xiàn)，以及汽車電氣系統(tǒng)的迅速增加，信號頻率的不斷提高，汽車電磁兼容問題越來越成為汽車制造商很重的一個負擔。為提高解決問題的效率，降低成本，把數(shù)字建模和數(shù)字仿真技術應用到汽車電磁兼容研究上，正成為汽車電磁兼容研究的一個熱點。3汽車電磁兼容性預測的工作內(nèi)容3.1 汽車電磁兼容性預測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成整個汽車電磁兼容性預測系統(tǒng)分為3個組成部分，如下所示：a輸入部分：包含數(shù)據(jù)來源、篩選過程、運算法則這三個部分。1數(shù)據(jù)來源：是整個預測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，它包含設計數(shù)據(jù)庫、用戶自定義、EMC個性文件、模型庫信號特性、輸入輸出阻抗、潛在發(fā)射模型、潛在敏感模型、信號回路、功率電平等等）。2篩選過程：搜集、解析原始數(shù)據(jù)。3運算方法：針對具體模型以及用戶需求計算出所要模擬的特征信號。b分析部分：用來近似計算輻射和傳導情況。其EMC模型分為傳導耦合計算、感性耦合計算線-線耦合、線內(nèi)耦合）、容性耦合計算端口耦合、 BSM耦合