Проверка на совместимость

Олег Муравьёв, начальник лаборатории ЭМС научно-производственного республиканского унитарного предприятия     «Белорусский государственный институт стандартизации и   сертификации»
olegmur@yandex.ru

    Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) не теряет актуальности ввиду активного развития электронной промышленности в мире. Ежедневно в производство запускаются новые электронные устройства, которые имеют риск взаимного негативного влияния. И эту сложнейшую задачу необходимо решать при проектировании электронного оборудования гражданского и двойного назначения. Одной из наиболее чувствительных к данной проблематике отраслей является автомобилестроение. Применение значительного количества сложных бортовых систем на транспортном средстве (ТС) требует многочисленных исследований для оценки их функционирования в различных режимах и условиях эксплуатации с последующей стандартизацией требований к данному виду продукции и созданием площадок для проведения испытаний и исследований. Кроме того, бесшовное и стремительное внедрение новых технологий формирует среду, предполагающую непрерывный пересмотр действующих технических нормативных правовых актов (ТНПА) и разработку инструментов, направленных на упрощение и ускорение процессов адаптации испытательной базы к вновь вводимым требованиям в совокупности со снижением затрат.

Данная работа посвящена исследованию характеристик контрольно-измерительного оборудования и созданию автоматизированного комплекса для проведения испытаний на устойчивость к электромагнитному излучению в соответствии с требованиями проекта предложений по поправкам серии 07 к Правилам ООН № 10.

Среди поставленных задач — анализ требований и методов проведения испытаний ТС, зарядной инфраструктуры и электронных компонентов, представленных в проекте [1], а также рассмотрение применения LOW CODE-среды ЭМИКА при разработке программного обеспечения для исследований характеристик контрольно-измерительного оборудования при создании автоматизированного комплекса для проведения испытаний на устойчивость к электромагнитному излучению согласно [1].

Нормативная база

В настоящее время на территории Евразийского экономического союза действует ряд технических регламентов, которые устанавливают требования электромагнитной совместимости к колесным ТС и сельскохозяйственной технике. В частности, это регламенты Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011) [2] и «О безопасности сельскохозяйственных и лесохозяйственных тракторов и прицепов к ним» (ТР ТС 031/2012) [3]. В свою очередь [2] распространяется на колесные ТС категорий L, M, N и О, а также на шасси и компоненты ТС, оказывающие влияние на безопасность ТС. Основным ТНПА, включенным в перечень стандартов к [2] и устанавливающим требования в отношении ЭМС, является [4]. При этом актуальная версия настоящего документа имеет обозначение Правила ООН № 10(06) [5] и содержит значительный объем требований и методов испытаний ТС с электрическим приводом. Кроме того, рабочая группа по вопросам светового оборудования и световой сигнализации (WP.29/GRE), а также неофициальная рабочая группа по электромагнитной совместимости Европейской экономической комиссии ООН активно работают над обновленным проектом предложения по поправкам серии 07 к Правилам ООН № 10. Текущая редакция [1] была представлена 24 апреля 2024 г. и имеет обозначение ECE/TRANS/WP.29/GRE/2023/27/Rev.1.

Рассмотрим основные различия методов испытаний, приведенных в [4] и [5], для последующей реализации мероприятий по исследованиям и адаптации существующей испытательной базы к новым требованиям.

1.       Проект предложений по поправкам серии 07 к Правилам ООН № 10 содержит описание новых функций, связанных с безопасностью, в частности, к ним относятся качество функционирования активного рулевого управления, устройств ограничения скорости, системы непрямого обзора, системы «слепых зон», системы экстренного вызова, отображение информации с предупреждающих указателей, ламп или дисплеев, относящихся к связанным с безопасностью функциям, которые находятся в зоне прямой видимости водителя, неправильное срабатывание противоугонной сигнализации, звукового сигнала, нарушение функционирования шины данных ТС, тахографа и одометра. Данный список не является исчерпывающим и может быть дополнен при разработке программы испытаний.

2.       Введены определения в отношении систем автоматического вождения (ADS) и добавлено примечание, разъясняющее ответственность водителя, а также различие между ADS и системой помощи при вождении.

3.       Закономерным является решение об исключении пункта 6.3.2.4, поскольку измерения только в диапазоне частотной модуляции (ЧМ) 76–108 МГц недостаточны для определения узкополосного излучения во всем диапазоне частот 30–1000 МГц.

4.       Важнейшим нововведением, требующим адаптации оборудования лаборатории, является расширение частотного диапазона испытаний на устойчивость к электромагнитному излучению (ТС и электрические/электронные узлы (ЭСУ)) до 6 ГГц. Данные требования направлены на обеспечение надежности в отношении самых современных мобильных служб (например, стандарта LTE, 5G, Wi-Fi). Как и для более низких частот испытательный уровень был определен на основе требований IEC 61000-6-2 с применением трехкратного запаса и составляет 10 В/м. При этом в соответствии с решением органа ISO TC22/SC32/WG3 были обновлены применяемые импульсные модуляции (ИМ). Предлагается использовать следующие виды модуляций:

а) амплитудная модуляция (АМ), частота 1 кГц, глубина 80% в диапазоне частот 20–800 МГц;

б) импульсная модуляция (ИМ), 577 мкс, период 4600 мкс в диапазоне частот 800–2000 МГц;

в) ИМ2, 3 мкс, период 3333 мкс в диапазоне частот 2700–3100 МГц;

г) ИМ3 500 мкс, период 1000 мкс в диапазонах частот 800–2700 МГц и 3100–6000 МГц.

5.       Исключен метод испытаний ЭСУ в полосковой линии 800 мм.

6.       В проекте предусмотрена возможность испытаний ЭСУ в реверберационной камере согласно [7]. Данный метод является современным методом испытаний на устойчивость и позволяет сократить продолжительность тестирования при расширении частотного диапазона до 6 ГГц. Испытательные уровни для различных методов испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1.

7.       Предлагаемые нововведения в отношении испытаний на устойчивость к излучению требуют значительных изменений не только в автомобильной электронике, но и в испытательных лабораториях. Для поддержания датчиков ADS в рабочем состоянии может потребоваться специальное программное обеспечение. Производители ТС запросили пятилетний переходный период для внесения необходимых изменений.

8.       В проекте [1] определение «длинное транспортное средство» было заменено на «большое транспортное средство», поскольку высота и ширина испытуемых ТС также обусловливают необходимость использования альтернативных методов испытаний. В отношении реализации испытаний в расширенном диапазоне частот представлена блок-схема (рис. 1) и приведены альтернативные методы испытаний для каждого из поддиапазонов. Кроме того, предусмотрена возможность замены испытаний ТС испытаниями отдельных ЭСУ. Для обеспечения надлежащего качества испытания ЭСУ протокол испытаний должен быть подготовлен лабораторией, аккредитованной по стандарту ISO 17025 и признанной органом по утверждению типа, ответственным за проведение испытаний, и предоставлен вместе с информационным документом.

Рис. 1. Блок-схема выбора метода испытаний ТС

Пример выбора места размещения антенн представлен на рис. 2.

θ: диаграмма направленности антенны по уровню 3 дБ

D: расстояние между кончиком или фазовым центром антенны и ближайшей частью кузова автомобиля без учета мелких выступающих элементов

Рис. 2. Размещение антенны для бокового облучения большого ТС 

9.     Важное замечание сделано в отношении снижения зарядного тока по меньшей мере до 20% в режиме зарядки постоянным током. Результаты многократных измерений подтвердили, что основной вклад в электромагнитное излучение вносит связь между зарядной станцией и ТС, а не постоянный ток. Вышеприведенные положения внесены в [1], при этом перечень поправок не является исчерпывающим.

Проведем исследования характеристик испытательного оборудования с целью оценки возможности реализации требований [1] с применением существующей испытательной базы лаборатории. Управление оборудованием и процессом испытаний, а также регистрация и обработка данных будет осуществляться с помощью LOW CODE-среды ЭМИКА.

Применяемое оборудование:

Принцип работы измерительной системы

Обобщенная структурная схема комплекса для проведения испытаний на устойчивость к радиочастотным электромагнитным полям приведена на рис. 3 и 4. Управление системой и автоматизация процессов измерений выполняется средствами ПЭВМ и соответствующим программным обеспечением (ПО), которое было разработано в LOW CODE-среде ЭМИКА. Источником сигнала является высокоточный генератор, позволяющий формировать сигналы требуемой амплитуды и частоты, а также модулировать измерительный сигнал по заданному закону.

Рис. 3. Структурная схема измерительной системы в режиме калибровки

Рис. 4. Структурная схема измерительной системы в режиме испытаний на помехоустойчивость

Формирование электромагнитных полей с напряженностью до 30 В/м обеспечивается группой усилителей мощности. Уровень сигнала, подаваемого на передающую антенну, контролируется измерителем мощности, подключенным к вторичному каналу направленного ответвителя. Цепь обратной связи сформирована средствами датчика электромагнитного поля (ДЭП) ETS-Lindgren HI-6105 совместно с преобразователем оптического интерфейса HI6113, который обеспечивает измерение напряженности поля при калибровке. Процесс калибровки и обработки результатов измерений сложен с алгоритмической точки зрения и должен соответствовать требованиям [1, 6 и 10]; упрощенный алгоритм калибровки представлен на рис. 5.

Рис. 5. Упрощенный алгоритм калибровки напряженности поля

Калибровка, измерения и обработка результатов выполняются с помощью ПО, разработанного в LOW CODE-среде ЭМИКА. При выборе среды разработки были учтены следующие факторы: наличие возможности быстрой реализации измерительных алгоритмов, связанных со схемами измерений, в виде исполняемого программного кода, а также панелями управления (дашбордами) и пользовательскими формами; наличие расширенного набора математических функций и представлений данных (графики, таблицы, индикаторы), встроенные возможности работы с графиками нормированных значений (лимитами), коэффициентами калибровки, импорта/экспорта данных и формирования отчетов об измерениях. Среда разработки должна включать стандартные функции управления средствами измерений, обеспечивать взаимозаменяемость однотипного оборудования в схеме измерений, а также масштабирование созданных решений. Существенным преимуществом является наличие локализации и поддержки от разработчика. Процесс разработки испытательного ПО в ЭМИКА начинается с создания устройств, которые будут применяться в процессе проведения исследований и состоит из ввода основных настроек, методов и команд для устройства (интерфейс представлен на рис. 6).

Рис. 6. Создание нового устройства

После создания всех необходимых устройств была разработана схема проведения измерений (рис. 7), предусматривающая возможность ввода коэффициентов калибровки для каждого из элементов схемы, а также ограничения рабочих диапазонов. Немаловажно, что оборудование в рамках одного типа является взаимозаменяемым.

Рис. 7. Пример схемы измерений в ЭМИКА

После завершения предварительных настроек был разработан исполняемый программный алгоритм, представленный на рис. 8. Важное отличие ЭМИКА от существующих графических сред разработки — возможность работы с переменными, а также методами языка NET, что существенно расширяет потенциальные области применения инструмента. Исполняемый алгоритм строится из блоков и определяет только последовательность проведения операций. Операции с переменными данными реализуются в самих блоках. В этом заключается отличие от систем, в которых межблочные связи также выполняют функцию линий передачи данных. Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки.

Рис. 8. Построение алгоритма проведения измерений в ЭМИКА

ЭМИКА является программным обеспечением с модульной структурой. Реализованный модуль для проведения измерений в области электромагнитной совместимости значительно упрощает и ускоряет процесс создания автоматизированных рабочих мест (АРМ). Модуль содержит функции, которые наиболее часто применяются при исследованиях в области ЭМС, а именно меню управления лимитами (рис. 10), актуальное как при проведении испытаний на помехоэмиссию, так и на помехоустойчивость; меню управления частотными развертками (рис. 9) с возможностью определения начальной и конечной частот, шага развертки, фикcированных частотных точек, которые следует пропустить либо, наоборот, включить в план испытаний. Для управления процессом калибровки и испытаний был разработан набор дашбордов, представленный на рис. 12. С помощью этих дашбордов пользователь может указать все параметры, которые определяют дальнейший процесс калибровки/испытаний на устойчивость к электромагнитному излучению.

Рис. 9. Меню управления частотной разверткой

Рис. 10. Меню редактирования лимитов

Рис. 11. Пример графического отображения данных

Рис. 12. Дашборды для управления процессом испытаний/калибровки

Результаты исследований

В результате создания АРМ были проведены исследования в отношении определения возможности применения существующей испытательной базы для проведения испытаний ТС на устойчивость к электромагнитному излучению в соответствии с требованиями [1].

На первом этапе измерено затухание ВЧ-тракта длиной 15 м в диапазоне частот 20 МГц — 6 ГГц (рис. 17). Результаты представлены для антенн в горизонтальной поляризации, расстояние от антенны до ДЭП составляет 2 м, длина коаксиального тракта — 15 м. На рис. 13 показана частотная зависимость напряженности поля и мощности на входе усилителя в диапазоне частот 20–100 МГц, применялась антенна Schwarzbeck VHBD 9134 с усилителем мощности Frankonia VLL1000L (допустимая мощность на входе +10 дБм). В полосе 20–25 МГц антенна обладает высоким КСВН, что предъявляет особые требования к конфигурации площадки. КСВН зависит от высоты расположения антенны и наличия поглотителя на подстилающей поверхности. Согласно рис. 14, усилитель Dipaul SSPA80M1G-800 в сочетании с антенной Schwarzbeck STLP 9129 special обеспечивает необходимый уровень напряженности поля в диапазоне частот 100 МГц — 1 ГГц. При этом возможно дальнейшее повышение мощности на входе усилителя более чем на 10 дБ. Такой запас позволяет увеличить расстояние между излучающей антенной и тестируемым объектом либо повысить испытательный уровень.

Рис. 13. Антенна Schwarzbeck VHBD 9134 с усилителем Frankonia VLL1000L

Рис. 14. Антенна Schwarzbeck STLP 9129 special с усилителем Dipaul SSPA80M1G-800

Для диапазона 1–6 ГГц был выбран усилитель мощности Dipaul SSPA1G6G-100L в сочетании с антенной Schwarzbeck STLP 9129 special. Согласно [1]. уровень испытательного воздействия должен составлять 30 В/м для полосы частот 1–2 ГГц и 10 В/м для диапазона частот 2–6 ГГц. Исходя из графиков, представленных на рис. 15. такая полеобразующая система гарантирует достижение необходимого уровня воздействия в диапазоне 1–1,7 ГГц. В полосе 1,7–2 ГГц наблюдается снижение напряженности поля до 25 В/м.

Рис. 15. Антенна Schwarzbeck STLP 9129 special с усилителем Dipaul SSPA1G6G-100L (1–2 ГГц)

Рис. 16. Антенна Schwarzbeck STLP 9129 special с усилителем Dipaul SSPA1G6G-100L (2–6 ГГц)

В диапазоне частот 2–6 ГГц ослабление сигнала в тракте длиной 15 м составляет 30 дБ (рис. 17), график максимальной напряженности поля при применении антенны Schwarzbeck STLP 9129 special и усилителя Dipaul SSPA1G6G-100L показан на рис. 16. Такая конфигурация не обеспечивает необходимый уровень испытательного воздействия 10 В/м. В качестве решения данной проблемы возможно снижение длины ВЧ-тракта либо применение рупорных антенн с высоким коэффициентом усиления. Результат калибровки в диапазоне 2–6 ГГц при использовании рупорной антенны МНИПИ П6-23М показан на рис. 18. Рупорная антенна обеспечивает необходимый уровень воздействия практически во всем диапазоне частот. Для дальнейшего повышения напряженности следует сокращать длину ВЧ-тракта либо использовать кабель с меньшим ослаблением.

Рис. 17. График ослабления ВЧ-тракта

Рис. 18. Антенна МНИПИ П6-23М с усилителем Dipaul SSPA1G6G-100L (2–6 ГГц)

Выводы

Программное обеспечение, разработанное в LOW CODE-среде ЭМИКА существенно упрощает и ускоряет процесс исследований характеристик контрольного-измерительного оборудования. Созданная схема измерений является универсальной и обеспечивает возможность взаимозаменяемости измерительного оборудования в рамках одного типа без внесения изменений в алгоритм измерений. Применяемый подход позволил определить оптимальную конфигурацию оборудования для проведения испытаний согласно требованиям [1] с минимальными временными затратами. При этом созданное решение в дальнейшем также можно использовать непосредственно при выполнении калибровки и проведении испытаний.

Литература

1. ECE/TRANS/WP.29/GRE/2023/27/Rev.1. Проект предложений по поправкам серии 07 к Правилам ООН № 10 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости.

2. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011).

3. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности сельскохозяйственных и лесохозяйственных тракторов и прицепов к ним» (ТР ТС 031/2012).

4. Поправки серии 03 к Правилам ООН № 10 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости.

5. Поправки серии 06 к Правилам ООН № 10 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости.

6. СТБ ISO 11451-2-2022 Транспорт дорожный. Методы испытаний транспортных средств на устойчивость к воздействию узкополосного излучения электромагнитной энергии.

7. ISO 11452-11:2010 Транспорт дорожный. Методы испытаний компонентов на устойчивость к воздействию узкополосного излучения электромагнитной энергии. Часть 11. Реверберационная камера.

8. ISO 11451-5:2023 Транспорт дорожный. Методы испытаний транспортных средств на устойчивость к воздействию узкополосного излучения электромагнитной энергии. Часть 5. Реверберационная камера.

9. ISO 11451-4:2022 Транспорт дорожный. Методы испытаний транспортных средств на устойчивость к воздействию узкополосного излучения электромагнитной энергии. Часть 4. Методы возбуждения жгутов.

10. ISO 11451-2:2015 Транспорт дорожный. Методы испытаний транспортных средств на устойчивость к воздействию узкополосного излучения электромагнитной энергии. Часть 2. Источники излучения вне транспортного средства.