论文部分内容阅读
摘 要：随着工程机械智能化的发展，越来越多的智能电子产品在工程机械中得以应用，但是工程机械在作业时收到的电磁干扰也越来越严重。基于此，本文以起重机伸缩臂控制系统为例，通过对控制系统屏蔽搭接的不同方式来分析该控制系统的可靠性以及对电磁环境的抗干扰能力，以期为相关研究人员提供参考。
关键词：控制系统;电磁兼容;可靠性
中图分类号：TH69 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00
0 引言
随着我国工业发展水平的不断提高，起重机已被广泛应用于各行各业。由于大量电子设备的广泛应用，使得起重机在起重作业时，会存在着电磁干扰现象，尤其是在机场、发电厂以及大型变电站等电磁辐射强烈的场所该问题更为严重。电磁干扰现象的存在严重影响了起重机的安全性、可靠性。电磁兼容（EMC，Electromagnetic Compatibility）是指各设备在共同的电磁环境中能够执行各项功能的共存状态和能力，即某一设备不会受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁干扰导致不允许的功能降级;同时也不会使处于同一电磁环境中其他设备因受到其他设备电磁干扰导致不允许的功能降级。
1 起重机伸缩臂控制系统
本文主要针对起重机伸缩臂的控制系统[1]。其控制系统的主要电器件包括：控制器、传感器、卷筒、线缆及电磁阀等。起重机伸缩臂内有一套独立的控制系统，通过控制器控制各个传感器工作，利用CAN信号与卷筒进行通信，卷筒与下车控制模块也通过CAN信号相连，进一步实现其他动作功能，组成框图如图1所示。
2 起重机伸缩臂控制系统电磁干扰分析
电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：干扰源、耦合路径、敏感设备。按耦合路径的不同对电磁干扰进行分类，主要有辐射干扰和传导干扰[2]，如图2所示。
2.1 测试标准
本文主要以大电流注入法进行测试，测试标准为ISO11452-4 汽车电子电磁兼容测试系统。该标准测试频率范围是（1～400）MHz;分四个等级加一个待定，见表1。
2.2 控制系统传导干扰
在起重机伸缩臂伸缩工作时，其是依靠内部伸缩油缸的相互作用，由于各个节臂之间通过臂销连接，从而导致各节臂之间阻值不稳定;同时油缸与伸缩臂之间是依靠缸销连接，由于润滑油、接触力等因素导致其连通性也不稳定。因此，当起重机施工现场电磁环境恶劣时，在天线效应的影响下[3]，起重机伸缩臂会产生感应电流，此时伸缩臂可作为一高阻值的金属导体，又因上述节臂之间、节臂与油缸之间连接的不稳定性，使得感应电流会通过电气系统的公共地进入控制器，从而对控制器产生电磁干扰。
3 起重机伸缩臂控制系统屏蔽搭接分析
为解决电磁干扰对起重机伸缩臂控制系统的影响，搭接屏蔽线是提高控制系统电磁抗扰度的有效方式之一。理想的屏蔽搭接方式是屏蔽搭接在同一个结构体上（整个起重机为连接良好的、低阻抗的导体），并且屏蔽层与连接器、结构体搭接的阻值足够小。但在实际结构中，CAN总线屏蔽电缆通过24芯连接器与控制器之间连接，因此可以搭接在同一结构体上;而卷筒屏蔽电缆的屏蔽层的实际结构是跨接在两个不同的结构体上，CAN总线屏蔽电缆及卷筒屏蔽电缆的头部搭接点位于伸缩油缸的缸筒上，而卷筒的尾部在转台处搭接，理论上伸缩油缸的缸体与活塞杆绝缘，这就造成伸缩油缸缸筒与转台是绝缘的，实际测试中，伸缩油缸缸体与活塞杆的电阻从0Ω到1000Ω不等。因而，对于卷筒的屏蔽线缆来说，两端的搭铁点在中间有一个不确定的阻值：阻值低时，相当于屏蔽层双端搭接;阻值高时，相当于屏蔽层单端搭接。因此根据实际情况，可采取以下几种搭接方式：（1）高阻抗屏蔽搭接;（2）屏蔽与信号地搭接处理;（3）屏蔽地与信号地分别处理。
通过电磁抗干扰度测试，对比测试结果如表2所示。
（1） 如图3所示，电缆卷筒屏蔽层两端分别接在下车转台和伸缩缸上;CAN 总线屏蔽电缆单端接在伸缩缸筒上。 在測试等级I可顺利通过，等级II往后CAN信号传输过程中出现通讯错误，等级越高通讯错误越严重，频率范围不固定。 在测试等级I，II，III，IV，总是在10MHz以下个别频段，会出现少量错误数据帧，与电缆卷线缆屏蔽层单端搭接效果相同。
（2） 如图4所示，借用信号地线，与卷筒屏蔽层搭接在同一搭接点，当线缆被干扰时，虽然信号地将伸缩油缸缸筒与转台连接，但屏蔽层未能起到屏蔽作用，效果与屏蔽层单端搭接效果相同。 在测试等级I，II，III，IV可顺利通过，此时CAN总线屏蔽电缆是双端搭接。 仍旧存在上述搭接方式（1）的现象。与电缆卷线缆屏蔽层单端搭接效果相同。
（3） 如图5所示，在卷筒线缆中，采用独立的一根导线用于屏蔽地，严格与信号地分开，屏蔽地用于将伸缩油缸缸筒与转台连接起来，但不能与线缆屏蔽层或信号地进行共点搭接处理。 CAN总线在测试等级I，II，III，IV可顺利通过，此时CAN总线屏蔽电缆是双端搭接。 可以顺利通过测试等级I，II，III，IV，电缆卷筒屏蔽线缆也相当于屏蔽双端搭接。
4 结论
通过上述搭接及测试分析，对起重机伸缩臂控制系统屏蔽搭接形式可采用几种屏蔽搭接方式：（1）信号地（参考地）与屏蔽地严格区分;（2）与屏蔽层连接的搭接面应选择面积尽可能大，阻抗尽可能低，两搭接点之间的跨节电阻不应大于0.5Ω;（3）屏蔽层搭接方式应采用双端接地或多端接地方式。
参考文献
[1] 闫丽娟，徐晓东，东权，等.起重臂单缸插销式自动伸缩控制技术[J].工程机械，2004（9）：17-19+1.
[2] 谭伟，高本庆，刘波.EMC测试中的电流注入技术[J].安全与电磁兼容，2003（4）：19-22. [3] 劉义凯，刘丽娜.集成电路中的天线效应[J].微处理机，2011（6）：6-7+11.
收稿日期：2020-06-03
作者简介：肖兴军（1983—），男，山东临沂人，硕士研究生，工程师，研究方向：智能控制。
Telescopic Boom Control System Shields the Influence of Overlap on Conducted Interference
XIAO Xingjun
（Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute， Xuzhou Jiangsu 221000）
Abstract：With the development of intelligent construction machinery， more and more intelligent electronic products are applied in construction machinery， however the electromagnetic interference received by construction machinery is becoming more and more serious. Based on this， this paper takes crane telescopic boom control system as an example， the reliability of the control system and its anti-interference ability to the electromagnetic environment are analyzed by shielding and overlapping the control system， in order to provide reference for related researchers.
Key words： control system; electromagnetic compatibility; reliability
关键词：控制系统;电磁兼容;可靠性
中图分类号：TH69 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00
0 引言
随着我国工业发展水平的不断提高，起重机已被广泛应用于各行各业。由于大量电子设备的广泛应用，使得起重机在起重作业时，会存在着电磁干扰现象，尤其是在机场、发电厂以及大型变电站等电磁辐射强烈的场所该问题更为严重。电磁干扰现象的存在严重影响了起重机的安全性、可靠性。电磁兼容（EMC，Electromagnetic Compatibility）是指各设备在共同的电磁环境中能够执行各项功能的共存状态和能力，即某一设备不会受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁干扰导致不允许的功能降级;同时也不会使处于同一电磁环境中其他设备因受到其他设备电磁干扰导致不允许的功能降级。
1 起重机伸缩臂控制系统
本文主要针对起重机伸缩臂的控制系统[1]。其控制系统的主要电器件包括：控制器、传感器、卷筒、线缆及电磁阀等。起重机伸缩臂内有一套独立的控制系统，通过控制器控制各个传感器工作，利用CAN信号与卷筒进行通信，卷筒与下车控制模块也通过CAN信号相连，进一步实现其他动作功能，组成框图如图1所示。
2 起重机伸缩臂控制系统电磁干扰分析
电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：干扰源、耦合路径、敏感设备。按耦合路径的不同对电磁干扰进行分类，主要有辐射干扰和传导干扰[2]，如图2所示。
2.1 测试标准
本文主要以大电流注入法进行测试，测试标准为ISO11452-4 汽车电子电磁兼容测试系统。该标准测试频率范围是（1～400）MHz;分四个等级加一个待定，见表1。
2.2 控制系统传导干扰
在起重机伸缩臂伸缩工作时，其是依靠内部伸缩油缸的相互作用，由于各个节臂之间通过臂销连接，从而导致各节臂之间阻值不稳定;同时油缸与伸缩臂之间是依靠缸销连接，由于润滑油、接触力等因素导致其连通性也不稳定。因此，当起重机施工现场电磁环境恶劣时，在天线效应的影响下[3]，起重机伸缩臂会产生感应电流，此时伸缩臂可作为一高阻值的金属导体，又因上述节臂之间、节臂与油缸之间连接的不稳定性，使得感应电流会通过电气系统的公共地进入控制器，从而对控制器产生电磁干扰。
3 起重机伸缩臂控制系统屏蔽搭接分析
为解决电磁干扰对起重机伸缩臂控制系统的影响，搭接屏蔽线是提高控制系统电磁抗扰度的有效方式之一。理想的屏蔽搭接方式是屏蔽搭接在同一个结构体上（整个起重机为连接良好的、低阻抗的导体），并且屏蔽层与连接器、结构体搭接的阻值足够小。但在实际结构中，CAN总线屏蔽电缆通过24芯连接器与控制器之间连接，因此可以搭接在同一结构体上;而卷筒屏蔽电缆的屏蔽层的实际结构是跨接在两个不同的结构体上，CAN总线屏蔽电缆及卷筒屏蔽电缆的头部搭接点位于伸缩油缸的缸筒上，而卷筒的尾部在转台处搭接，理论上伸缩油缸的缸体与活塞杆绝缘，这就造成伸缩油缸缸筒与转台是绝缘的，实际测试中，伸缩油缸缸体与活塞杆的电阻从0Ω到1000Ω不等。因而，对于卷筒的屏蔽线缆来说，两端的搭铁点在中间有一个不确定的阻值：阻值低时，相当于屏蔽层双端搭接;阻值高时，相当于屏蔽层单端搭接。因此根据实际情况，可采取以下几种搭接方式：（1）高阻抗屏蔽搭接;（2）屏蔽与信号地搭接处理;（3）屏蔽地与信号地分别处理。
通过电磁抗干扰度测试，对比测试结果如表2所示。
（1） 如图3所示，电缆卷筒屏蔽层两端分别接在下车转台和伸缩缸上;CAN 总线屏蔽电缆单端接在伸缩缸筒上。 在測试等级I可顺利通过，等级II往后CAN信号传输过程中出现通讯错误，等级越高通讯错误越严重，频率范围不固定。 在测试等级I，II，III，IV，总是在10MHz以下个别频段，会出现少量错误数据帧，与电缆卷线缆屏蔽层单端搭接效果相同。
（2） 如图4所示，借用信号地线，与卷筒屏蔽层搭接在同一搭接点，当线缆被干扰时，虽然信号地将伸缩油缸缸筒与转台连接，但屏蔽层未能起到屏蔽作用，效果与屏蔽层单端搭接效果相同。 在测试等级I，II，III，IV可顺利通过，此时CAN总线屏蔽电缆是双端搭接。 仍旧存在上述搭接方式（1）的现象。与电缆卷线缆屏蔽层单端搭接效果相同。
（3） 如图5所示，在卷筒线缆中，采用独立的一根导线用于屏蔽地，严格与信号地分开，屏蔽地用于将伸缩油缸缸筒与转台连接起来，但不能与线缆屏蔽层或信号地进行共点搭接处理。 CAN总线在测试等级I，II，III，IV可顺利通过，此时CAN总线屏蔽电缆是双端搭接。 可以顺利通过测试等级I，II，III，IV，电缆卷筒屏蔽线缆也相当于屏蔽双端搭接。
4 结论
通过上述搭接及测试分析，对起重机伸缩臂控制系统屏蔽搭接形式可采用几种屏蔽搭接方式：（1）信号地（参考地）与屏蔽地严格区分;（2）与屏蔽层连接的搭接面应选择面积尽可能大，阻抗尽可能低，两搭接点之间的跨节电阻不应大于0.5Ω;（3）屏蔽层搭接方式应采用双端接地或多端接地方式。
参考文献
[1] 闫丽娟，徐晓东，东权，等.起重臂单缸插销式自动伸缩控制技术[J].工程机械，2004（9）：17-19+1.
[2] 谭伟，高本庆，刘波.EMC测试中的电流注入技术[J].安全与电磁兼容，2003（4）：19-22. [3] 劉义凯，刘丽娜.集成电路中的天线效应[J].微处理机，2011（6）：6-7+11.
收稿日期：2020-06-03
作者简介：肖兴军（1983—），男，山东临沂人，硕士研究生，工程师，研究方向：智能控制。
Telescopic Boom Control System Shields the Influence of Overlap on Conducted Interference
XIAO Xingjun
（Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute， Xuzhou Jiangsu 221000）
Abstract：With the development of intelligent construction machinery， more and more intelligent electronic products are applied in construction machinery， however the electromagnetic interference received by construction machinery is becoming more and more serious. Based on this， this paper takes crane telescopic boom control system as an example， the reliability of the control system and its anti-interference ability to the electromagnetic environment are analyzed by shielding and overlapping the control system， in order to provide reference for related researchers.
Key words： control system; electromagnetic compatibility; reliability