摘要：对于汽车开发来说，雨刮电机停止瞬间过渡过程的EMC干扰向来受到重视。基于此，本文将简单分析雨刮电机停止瞬间的过渡过程及EMC干扰，并深入探讨EMC干扰解决策略，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词：雨刮电机；EMC干扰；电磁兼容性；汽车
前言：在行驶过程中的汽车雨刮器开到间歇档时，整车失去动力的情况可能出现，这是由于存在过高的雨刮电机CTE脉冲，停止瞬间的雨刮电机引发了故障。为规避汽车开发过程中雨刮电机的干扰故障，正是本文围绕雨刮电机停止瞬间的过渡过程与EMC干扰开展具体研究的原因所在。
1.雨刮电机停止瞬间的过渡过程
图1为典型的雨刮电机控制电路，结合图1进行分析可以发现，存在接地的雨刮使能继电器可保证复位位置上雨刮刮片准确停止。
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图 1 雨刮电机控制电路
由运动转为停止的雨刮电机需要释放存储的能量，因此使能继电器常闭触点需要在停止时接地，图1所示虚线回路由此构成，电机中的能量快速释放可通过这一典型的直流电机能耗制动配置实现。转子机械运转储存的能量、线圈中的能量属于雨刮电机存储的两部分能量，分别属于机械能量、磁场能量，机械能量相较于磁场能量较强。在正常工作时，电机电枢电阻与电机电流的乘积+电机反电动势，即为供电电压，电机的动平衡由此形成。对于停止瞬间需要向原运动方向旋转的雨刮电机来说，转速在停止瞬间不发生变化，且此时供电电压与反电动势在电机转子线圈切割磁力线相反，相较于供电电压，数值仅略低，考虑到继电器的常闭触点在此时的电机正负极下可通过接地短路，因此整个回路中的电枢电阻与直流电阻基本相等，制动电流也随之产生，制动电流的峰值基本相当于电机的堵转电流，由于与正常供电电流相反，因此其结果为负值。在不断下降的转速影响下，随之减弱的反向电动势必须得到重视，电机的能耗制动由此实现，图2为电机停止瞬间电压电流对时间曲线[1]。
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图 2 电机停止瞬间电压电流对时间曲线
2.雨刮电机停止瞬间过渡过程的EMC干扰
在雨刮电机停止时，同时存在磁场能量释放和快速变化的大电流，EMC不可避免的会随之出现。为模拟电机电感线圈动与停止瞬间两端反向电动势，采用电感替代电机数学模型，在开关打开时，可得到：
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其中电机正常工作电流标为i=I0，仅考虑瞬间完成的开关打开与闭合理想状态，可得到t=0且Δt=0，此时存在无穷大的UL，即电感产生的电压，同时存在大约为纳秒级别的快速电压衰减。在理想状态下，接通或者断开时开关仅会产生干扰脉冲，但对于继电器触点的开关来说，必须深入分析这类开关特性。图3为汽车继电器开关的抖动产生机理，基于该图，开关输入的去抖必须得到重视。
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图 3 汽车继电器开关的抖动产生机理
基于雨刮电机供电电路进行具体分析可以发现，一次动作的雨刮使能继电器可细分为4次动作，包括打开常开触点、闭合常闭触点、碰撞、再次闭合，EMC干扰会在每次动作中出现，图4为电压干扰波形示意图。
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图 4 电压干扰波形示意图
基于图4进行分析可以发现，图中的A、B、C、D分别指打开常开触点、电弧产生、常闭触电闭合、常闭触点反弹。此时存在为制动电流峰值的电流，该电流与堵转电流在数值上接近，较大干扰电压也会随之产生，由于整车上的制动电流与测试时采用的正常工作电流差异较大，因此实际干扰电压也远高于理论测试结果。图中的E、F、G分别为多次反弹抖动的常闭触电、完全弹起的常闭触点、正常闭合的常闭触点。通过分析可以发现，至少存在1次继电器触点反弹，电机电流上升显著，制动电流由线路电阻、电枢电阻、反电动势共同决定，峰值接近电机堵转电流的制动电流衰减速度极快，快速变化的磁场会因此产生于导线周围，感应电场会随之产生于电路中，最终引发电磁干扰问题。ESD放电情况中也存在大电流情况，通电直导线周围的磁场强度可表示为：
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对于峰值为30A的雨刮电机电流来说，导线1cm处存在445A/m的瞬间磁场强度。可采用式（3）对S面积环路中感应出的瞬态电压进行计算，即：
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式（3）属于近似公式，其中的Δt、μ0、S分别为制动电流的上升时间、空气中的磁导率、环路面积，如存在足够的环路面积，危险的干扰电压能够感应到，弱电电路因EMC防护不足很容易受到致命影响，这类影响必须得到相关设计人员的重点关注[2]。
3.EMC干扰解决策略
随着科学技术的快速发展，对于电子电器工程师来说，EMC问题的受关注程度不断提升，且日渐成为无法回避的问题。应设法从前期设计环节解决EMC干扰问题，而不是发现问题后进行整改。相较于发达国家，我国汽车工业相对落后，这种落后在国内自主品牌整车EMC设计层面有着直观体现，由于仍处于发展初期阶段，因此存在巨大发展空间。结合上文研究可以了解到，通过空间磁场传递能量。突变的大电流能够导致干扰周边弱电回路，因此在开发整车的过程中，设计与布置线束时需分开设计并布置强弱电流线束，空间传导干扰可由此规避。为保证弱电弱信号的传感器不会受到干扰且能够保持正常运行，滤波抗干扰措施的优选极为关键。对于较为复杂的EMC理论来说，解决EMC干扰问题相对简单。以上文开展的相关分析为例，发现EMC干扰问题后。整车研发已步入后期阶段，在经费和时间的限制下，较大的工程更改无法开展，为降低干扰，设计人员采用了减弱磁场强度方法，以此将地线和雨刮电机低速供电线通过双绞线绞在一起，双绞线供电回路由此形成。对于相当于两根螺旋线的双绞线来说，处在轴向的同一平面内的两根螺旋线存在相反的流过电流方向，而结合电流方向可以发现，电流环产生的场强与电流元在距离源相当于远场处基本实现抵消。通过增大电流上升时间或减少环路面积、减少磁通量，感生电场即可顺利减弱，最可行与最可控的措施当属基于双绞线减少磁通量，具体采用25T/m规格的雨刮供电双绞线，截面积为2.5mm2。对于应用双绞线的雨刮电机供电线路来说，整车辐射发射可在双绞线支持下更好通过国家规范的强制测量项目，EMC公告实验可顺利通过。结合相关研究可以了解到，相较于非双绞线，双绞线的远场辐射明显较低。为更好抑制负向干扰脉冲，还可以设置2个二极管，二者不会影响制动电流，这是由于二极管导通方向与制动电流方向相反，通过对电感能量释放产生续流作用，2个二极管可实现对负向干扰脉冲的有效抑制。
结论：综上所述，雨刮电机停止瞬间的过渡过程EMC干扰带来的影响较为深远。在此基础上，本文涉及的将地线和雨刮电机低速供电线通过双绞线绞在一起、设置2个二极管等内容，则为EMC干扰问题解决提供了可行性较高的路径。为更好解决EMC干扰问题，应尽可能从设计源头入手，从根本上规避这类问题的出现，提升汽车整车设计制造水平。
参考文献：
[1]陈旭,雷雨田,田锦涛.车载雨刮电机的电磁辐射仿真研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2020,34(01):37-43.
[2]田锦涛. 车载雨刮电机的电磁辐射仿真与测试研究[D].重庆理工大学,2018.