汽车电磁干扰源识别方法

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一种新型的双极性脉冲电流源
汽车电磁干扰源识别方法
汪泉弟,安宗裕,彭河蒙,杨永明
(重庆大学,输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 400044)
摘要:车载电器设备的广泛应用,使得车内电磁环境变 得越来越复杂。对车内众多电磁干扰信号进行有效模式 识别,可以进一步准确地了解和掌握车内电磁干扰信号 的特性,对于分析整车电磁环境分析及电磁干扰源的建 模至关重要。文章以小波包对汽车雨刮电机干扰信号分 解入手,计算信号各层小波变换系数并提取其累积能量 参数和突变参数,以此构建表征干扰信号的特征向量, 采用多样本平均的方法建立特征参数的标准向量库,提 出先分频段再分类别的识别算法,对汽车实际存在的四 种干扰信号进行识别与分类,结果表明本文提出的方法 能够达到识别与分类汽车干扰源的目的。 关键字:汽车,电磁干扰,小波包,特征提取,模式识别
K
差 Vc 范围内, 把标准库中的特征向量 V 分为 V c 和 V r 两部分。 V c 表示低频段信号的特征向量, 即传导干扰频段 0.15 MHz-30 MHz; V r 表示高频 段信号的特征向量,即辐射干扰频段 30 MHz-1 GHz。如满足标准特征向量 V c 的容许误差,再进 行下一步分类别判别。如果不满足标准特征向量 V c 的容许误差,则计算比较 V 是否在 V r 的容许 误差 Vr 范围内, 如果也不满足标准特征向量 V r 的容许误差,说明该信号的特征向量不在识别范 围内,丢弃该信号;如果满足标准特征向量 V r 的 容许误差,则进行下一步分类别判别。
L
H
4 分频段和分类别逐级判别干扰源
按照文中所述方法提取测量信号的突变参 数 和累积能量参数 E,并构成相应的特征向量 V 和W , 将该特征向量与标准库中的特征向量进 行比较,采用对每个特征向量的每个元素分别计 算比较的方法很费时。这时可根据干扰信号本身 的特点以及小波包分解后频带分布的特点,采用 分频段及分类别的方式逐级判别,可以加快干扰 源识别的速度。具体判别步骤如图 4 所示。
K
Wj1,2 n 1 (t ) k g (k )Wj ,n (t-2 j k )

(2)
上 式 中 h( k ) 和 g ( k ) 是 两 个 共 轭 滤 波 器 , W1,0 (t ) 是尺度函数,W1,1 (t ) 是小波函数。 每一个节 点(j, n)的小波包系数(WPC)由时间序列 x(t ) 计算 得到,计算公式如下: C j,n (k ) ( x(t ), W j ,n (t - 2 j k )) (3) WPCC j ,n (k ) 包含了重构信号的全部信息, 以尺度 K 分解为例,采用小波包变换[11]将干扰 信号在全频段内分解成 K 层,形成等带宽的 2K 个频带,其中每个频带的宽度为 f/2K。其分解结 构如图 3 所示,S 代表干扰信号。
2 电磁干扰信号测量
汽车内电器系统数量众多,位置放置密集, 这些系统正常工作时都由车载 12V/24V 蓄电池供 电[8]。各个系统产生的电磁干扰会通过蓄电池形 成公共电源阻抗耦合,造成一个系统产生的传导 干扰影响另一个系统。此外,一个系统导线的对 外辐射也会通过空间耦合到周围系统的线束上, 从而对周围系统产生干扰。所以当测量一个系统 产生的干扰时,必须要排除其他系统对该系统的 影响。 本文通过搭建独立的雨刮系统排除其他系 统对待测系统的传导和辐射干扰影响。实验测量 示意图如图 1 和图 2 所示。传导测量所采用的仪 器设备为:Agilent DSO7104B 模数混合示波器、 N2873A 无源电压探头、TDK 公司 T 系列环形铁 氧体和人工电源网络(LISN)。辐射所采用的仪器 设备为,ESCS30 EMI 接收机、HL562 接收天线 和同轴电缆。
同轴电缆
图 2 雨刮电机系统辐射发射测量示意图
E K ,i -1
3 小波包分解及特征提取
3.1 小波包分析
小波包变换是一种非常精确的离散小波变 换,在时域和频域内都有较高的分辨率,通常在 很多领域被用来对信号进行时-频域分析。 通过小 波包变换能够将所关心的频率范围进行详细分 解。例如将一个信号在全频段内分解,采用矢量 分离法将每一尺度下的小波包系数分成两部分, 分解所需的双尺度方程为 W (t ) h(k )W (t-2 k ) (1)
过程入手,提取信号各层小波包变换系数并计算 其累积能量参数[6]和突变参数,以此构建表征干 扰信号的特征向量;利用多样本求平均[7]的方法 建立干扰信号的标准特征库,根据容许误差的范 围来判断干扰信号所属的类型。研究结果表明基 于小波包变换和累积能量及突变参数法获得的 信号特征能够较好的应用于汽车电磁干扰信号 的识别。
其次 W 输入信号特 征向量 其次W 首先V
特征向量。如果该特征向量满足标准特征向量 W 的容许误差 W ,则判定该信号特征向量属
L L
于雨刮电机低速档时辐射干扰信号;如果该特征 向量满足标准特征向量 W H 的容许误差 W H ,则 判定该信号特征向量属于雨刮电机高速档时辐 射干扰信号。同理,可以判断出特征向量是否属 于雨刮电机低速档传导干扰信号或者高速档传 导干扰信号。
Y X K ,0 , X K ,1 ,...,X K ,2

K
1
Y
n L 1
M
n
(10) (11) (12)
4.2 分类别识别
假如输入特征向量满足标准特征向量 V r 的 容许误差, 按照 W 是否在 W L 的容许误差 W L 范 围内,把标准库中另一个特征向量 W 分为 W 和 W 两部分。 W 表示雨刮电机低速档干扰信号的 特征向量; W 表示雨刮电机高速档干扰信号的
j 1 , 2 n j k j ,n
t R0
x
k 1
N
2 K,i -1
(5)
式(5)中 N 为采样点数, t 为采样时间间 隔, R0 为匹配阻抗, X K,i-1 为信号 S(K,i-1)对应 的小波系数,k=1,2, . . .N。 当雨刮电机信号不同时,相应地在各频带的 能量上也有所反映,因此以各个频带对应的小波 包系数(重构信号 S(K,i-1)的幅值)的累积能量 为元素构造一个特征向量 W 来表征干扰信号, W [ E K ,0 , E ,K ,1 ... , E K ,2 1 ] 。此外,从分解得到的小
S
S(1,0) F=(0~f/2)
S(2,0) F=(0~f/4)
波包系数的特点可以看出,不同小波系数的波形 突变情况存在差异。将各小波包系数的采样点数 等分为 5 个区间,分别计算各个区间内的累积能 量 E K ,i 1,q ,由此定义每个频带上小波系数的突变 参数 为
K ,i -1
尺度 2
S(3,0)
S(3,1)
S(3,2)
S(3,3)
S(3,4)
S(3,5)
S(3,6)
S(3,7)
尺度 3
子带 1 , F=(0~f/8)
. . . . . .
子带 8 , F=(7f/8~f)
图 3 小波包分解原理示意图
c ,K ,2K 1 ] V c [ c ,K ,0 , c ,K ,1 ,...., V r ,K ,2K 1 ] V r [ r ,K ,0 , r ,K ,1 ,...., W L [ E L ,K ,0 , E L ,K ,1 ,....,E L ,K ,2 ] W W H [ E H ,K ,0 , E H ,K ,1 ,....,E H ,K ,2 ]
L
H
Y [X K ,0 , X K ,1 ... , X K ,2 K 1 ]
X K ,i 1
2 1 n h X M ,K ,i 1 X K ,i 1 n M 1


12
其中,n 为同一种干扰信号的测量次数, h 为容错系数,通常取 3~5, YM 为第 M 次测量所 得的干扰信号特征值。
MHz-1 GHz) ;W L 代表雨刮电机低速时干扰信号 的标准特征向量; W H 为雨刮电机高速时干扰信 号的标准特征向量。 根据信号的特征向量 W ( V )与标准库中的 特征向量 W ( V )相比较,是否在容许误差 W ( V )范围内来判别干扰信号和标准库中的干扰 信号的相同与否,从而判断特征向量 W ( V )所 代表的是哪一种干扰信号。标准库中的特征向量 W ( V )和容许误差向量 W ( V )由多样本求 平均的方法获得,标准库中的特征向量及容许误 差向量的求解公式如下: YM X M ,K ,0 , X M ,K ,1 ,...,X M ,K ,2 1 (9)
LISN
In1(ω)
电源线正极
ຫໍສະໝຸດ Baidu
蓄 电 池
In2(ω)≈0
电源线负极
In3(ω)≈0
消耗型铁氧体
控制线
图 1 雨刮电机系统传导干扰测量示意图
169
重庆市电机工程学会 2012 年学术会议论文
E1(ω) In1(ω) 蓄 电 池 In2(ω)≈0
电源线负极 接收天线 电源线正极
EMI 接收机
In3(ω)≈0
K 1 K 1
(7)
(8)
3.2 特征提取
设原始信号分解到第 K 层的第 i-1 个频带的
170
其中, V c 代表传导干扰信号的标准特征向 量,频率范围(0.15 MHz-30 MHz) ; V r 代表辐 射 干 扰 信 号 的 标 准 特 征 向 量 , 频 率 范 围 ( 30
汽车电磁干扰源识别方法
max E K ,i 1,q 1 5 E K ,i 1,q 5 q 1

(6)
式(6)中 E K ,i 1,q 表示第(K,i-1)个频带上第 q 个区间的累积能量, q=1,2,3,4,5。以各频带上小 波系数的突变参数构造一个特征向量 V , V [ K ,0 , ,K ,1 ... , K ,2 1 ] ,同样可以描述干扰信号
消耗型铁氧体
控制线
信号为 S(K,i-1),i=1,2,3. . . .2K,其小波包系数 为 C K , i -1 (k ) ( x(t ), WK ,i 1 (t - 2 i -1 k )) (4) 小波包系数 C K ,i 1 (k ) 包含了信号重构的所 有信息,定义该频带对应的小波包系数的累积能 量E 为
K
经过小波包变换后在各频带上的特点。
3.3 建立标准特征库
干扰信号经小波包分析后提取各个频带的 突变参数 和累积能量参数 E, 由二者构成标准 库中的特征向量 V 和 W 分别为
S(1,1) F=(f/2~f)
尺度 1
S(2,1) F=(f/4~f/2) S(2,2) F=(f/2~3f/4) S(2,3) F=(3f/4~f)
电压探头
1 引言
随着科学技术的快速发展,汽车电子技术得 到了大量的应用,这使得车载电气电子设备越来 越多。而且随着设备工作频率的不断提高,汽车 的电磁兼容问题日益突出,如果车载设备之间缺 乏良好的电磁兼容性,严重时就会影响车辆的安 全运行。对车内众多电磁干扰信号进行有效模式 识别,可以进一步准确的了解和掌握车内电磁干 扰信号的特征[1-3],对于分析整车电磁环境及电 磁干扰源的建模有着十分重要的意义。 目前针对电磁干扰源的识别思路主要是在 开阔场、屏蔽室或半波暗室中对电磁干扰测量分 析,再用一些常用的信号处理方法分析电磁干扰 源的特性及类型。研究的重点主要在两个方面: 一是电磁干扰的测量;二是信号的后处理。国内 外对电磁干扰源的测量与识别有较多研究,但是 针对汽车 EMI 源的测量与识别还未见报道。 小波包变换能够在时域和频域内准确的提 取非平稳信号的特征[4],很适合检测信号中夹带 的瞬间反常现象并展示其成分[5]。本文从小波包 变换(WPT)对汽车雨刮系统电磁干扰信号分解
5 实验验证
按照上述方法和步骤采用 sym 小波包分解并 提取汽车雨刮电机 EMI 信号特征向量并进行干 扰源类型识别。干扰源采用汽车雨刮电机低速档 传导干扰、低速档辐射干扰、高速档传导干扰及 高速档辐射干扰的实验数据,识别结果如图 5、 图 6 和图 7 所示。 从图 5 中可以看出分频段识别阶段,该方法 能量准确地识别出干扰信号所属的频率范围,能 够有效的将高频干扰信号和低频干扰信号分离 (即传导和辐射信号) ,这对分析干扰源特性有 着重要意义。但是无论在低频段或高频段,分频 段识别无法准确的将低速档信号和高速档信号 准确分离,说明突变参数在表征高速档信号和低
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