看到有同學(xué)問：為什么電磁車模，在開啟電機(jī)之后，采集的電磁強度數(shù)值出現(xiàn)異常的問題。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)采集電磁數(shù)值異常與電機(jī)開啟有這明顯的因果關(guān)系。并且，電機(jī)速度越快，數(shù)值越加凌亂，使得車模舵機(jī)控制不穩(wěn)。

車模中，由于電機(jī)工作起來電流很大，所產(chǎn)生的電磁干擾也很強。這部分的干擾噪聲可以通過電路中的電源線耦合、空間電磁場傳輸?shù)韧緩綄τ?a target="_blank">信號采集電路和控制電路造成影響。通過電源合理布線、使用恰當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ?a href="http://www.makelele.cn/tags/電容/" target="_blank">電容可以大大減輕噪聲通過線路傳輸?shù)挠绊?。但是空間干擾則顯得有些神秘和難以消除。

下面的動圖顯示電機(jī)運行的時候?qū)τ诟浇?0mH諧振電感所產(chǎn)生的干擾情況。

圖1 電機(jī)對于附近電磁傳感器的干擾

說實在的，車模上的電機(jī)還是屬于小功率的直流電機(jī)。驅(qū)動電流從幾百毫安到十幾安培，空間干擾還算是輕的。如下的動圖是實驗室中3kW永磁同步電機(jī)驅(qū)動模塊，其中線電流達(dá)到200~400A，此時電機(jī)引線所產(chǎn)生的空間電磁干擾，就會將實驗室中的WIFI給阻塞掉，電腦USB端口也會由于干擾電壓造成USB設(shè)備無法識別。

圖2 大功率PMSM電機(jī)及其驅(qū)動模塊

平時習(xí)慣于利用集總參數(shù)器件模型進(jìn)行電路分析，此時就會深刻體會到，周圍的空間也是進(jìn)行電磁波傳輸?shù)妮d體。

為了減少電機(jī)對于電磁傳感器的影響，除了對于電機(jī)驅(qū)動引線盡量使用短的電線傳輸之外，恰當(dāng)?shù)倪x擇電機(jī)PWM頻率也可以起到非常好的效果。這是利用電磁傳感器的選頻特性以及PWM波形中的諧波分解之間的關(guān)系。

下圖顯示出電機(jī)驅(qū)動PWM頻率從18kHz一直變化到22kHz的過程中電磁傳感器所感應(yīng)信號幅度的變化。當(dāng)PWM頻率為20kHz的時候所產(chǎn)生的干擾信號最大，這是因為車模的電磁傳感器大都調(diào)整在諧振頻率為20kHz。

圖3 電磁傳感器感應(yīng)信號幅度隨著PWM頻率變化，在20kHz的時候發(fā)生諧振

那么是否在設(shè)置電機(jī)PWM頻率的時候只要不設(shè)置為20kHz，就可以避免對于電磁傳感器造成很大的干擾了呢。

可以通過實驗來驗證PWM頻率與電磁傳感器的干擾強度之間的關(guān)系。就在圖1所示的實驗場景。改變PWM的頻率，從750Hz到25000Hz, PWM占空比設(shè)置為10%。使用交流電壓表測量工字型電感諧振電路的輸出電壓。下圖顯示處電磁傳感器輸出交流電壓有效值與頻率之間的關(guān)系。

圖4 不同PWM頻率下，電磁傳感器檢測到的干擾信號幅值

從中可以看出，在多處頻率點（3.66,4,5,6.66,10,20kHz）都出現(xiàn)了干擾信號幅度的峰值。這些頻率有一個規(guī)律，它們?nèi)コ?0000都是整數(shù)。這個實驗也有效驗證了周期信號的傅里葉級數(shù)分解的理論，那就是所有的周期信號都可以分解成基波和它的諧波的疊加。這些諧波都是基波的整數(shù)倍數(shù)。因此，在設(shè)置PWM頻率的時候，有效的避開這些頻率點，就可以大大減少對于電磁傳感器的干擾。

另外，當(dāng)PWM的頻率超過20kHz的某一個數(shù)值（比如25kHz）,就不再會對電磁傳感器產(chǎn)生干擾了。但是，由于頻率增加，電機(jī)驅(qū)動電路的開關(guān)損耗也會隨之增加，是的電機(jī)有效輸出電流減低。所以建議選擇PWM頻率的時候還是選擇20kHz以內(nèi)的某個頻率（13kHz~17kHz）為好。

圖5 實驗室的一角

從上面的圖中，也可以看到常用到的工字型電磁傳感器的頻率響應(yīng)特性。大家會驚訝的看到，這個電磁傳感器的諧振頻率恰好就是20kHz。通常大家所使用的電感大都選用10mH工字型電感，需要選擇6.33nF的電容可以將LC諧振頻率配置成20kHz。容易選購到的普通電容為6.8nF，使用6.8nF的電容電路的諧振頻率19.3kHz。

下圖是使用了幾種工字型電感的實際測試的諧振曲線，它們的諧振頻率大都幾種在20kHz左右。其中頻率非常準(zhǔn)確的是采用了高精度的電容配成的諧振回路。可以看出是，如果電感的尺寸比較大，所感應(yīng)的電壓比較大。同樣，如果諧振頻率比較準(zhǔn)確，在20kHz信號輸出幅度也比較大。

圖6 不同工字型電感組成的諧振回路的頻率響應(yīng)曲線

對于此，可能有的同學(xué)會提問，傳感器輸出信號大小，實際上對于檢測應(yīng)該沒有什么影響，因為只要通過調(diào)整后面信號放大電路的倍數(shù)，不僅可以大大提高信號的幅值，同時也可以將各個傳感器的輸出調(diào)整到一致。

的確，通常情況下，選用精度不高的電感、電容組成的諧振回路就可以滿足車模競賽的需要了。

如果需要進(jìn)一步指出精度高的好處，就需要理解使用諧振LC回路組成的電磁傳感器的作用。它的主要作用并不是放大信號，而是選擇有用信號，濾除干擾信號。下圖中，左邊顯示了一個沒有匹配諧振電容的10mH工字型電感的輸出波形，右邊顯示了匹配有諧振電容后輸出信號。可以看出，經(jīng)過諧振選頻電路，有用的信號大大增強了，而噪聲信號被去掉了。

圖7 選頻電路是提高信號的信噪比的關(guān)鍵

由于傳感器的信號會經(jīng)過后級放大電路進(jìn)一步放大，滿足后面的信號檢測需要。所以傳感器的作用重點是在于能夠?qū)⒃肼暈V除多干凈。這是由諧振電路的選頻特性來決定的。

諧振電路的選頻特性可以由電路頻率響應(yīng)的帶寬來決定。一般情況下，帶寬定義為電路頻率響應(yīng)下降1/sqrt(2)=0.707倍的時候，對應(yīng)的上下截止頻率的差值。對于二階諧振電路，帶寬可以使用諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，也稱之為Q值來計算。具體公式由下圖中顯示。

圖8 RLC諧振電路的帶寬以及品質(zhì)因數(shù)

只有位于諧振傳感器帶寬內(nèi)的信號和噪聲才能夠通過傳感器，送往下一級檢測電路。通帶之外的噪聲就會濾除。所以諧振電路的帶寬越窄，或者品質(zhì)因數(shù)越高，濾除噪聲的能力就一越強。

如何提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)呢？ 弄清楚這個問題需要大家復(fù)習(xí)在電路原理中的基礎(chǔ)知識了。

但是，如果傳感器的諧振曲線的中心不位于20kHz的話，這樣就會將有用的信號也會被衰減，從而降低了輸出信號的信噪比。

同樣，根據(jù)本文一開始敘述的那樣，也需要盡可能將干擾噪聲的頻率移除傳感器的通帶范圍之外，進(jìn)而降低傳感器輸出的噪聲。

提高傳感器的信噪比所帶來的好處，就是能夠提高檢測分辨弱信號的能力，從而提高傳感器檢測信號的距離和精度。

傳感器是智能車的眼睛，也是智能車穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。提高眼睛的靈敏度，不僅需要選擇優(yōu)良的傳感器的器件，同時也要盡可能避免環(huán)境干擾信號、自身車模的干擾信號對于傳感器的干擾。
編輯：hfy