看到有同學(xué)問(wèn)：為什么電磁車模，在開(kāi)啟電機(jī)之后，采集的電磁強(qiáng)度數(shù)值出現(xiàn)異常的問(wèn)題。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采集電磁數(shù)值異常與電機(jī)開(kāi)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(lái)電流很大，所產(chǎn)生的電磁干擾也很強(qiáng)。這部分的干擾噪聲可以通過(guò)電路中的電源線耦合、空間電磁場(chǎng)傳輸?shù)韧緩綄?duì)于信號(hào)采集電路和控制電路造成影響。通過(guò)電源合理布線、使用恰當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ?a href="http://m.makelele.cn/tags/電容/" target="_blank">電容可以大大減輕噪聲通過(guò)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(dòng)圖顯示電機(jī)運(yùn)行的時(shí)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(duì)于附近電磁傳感器的干擾

說(shuō)實(shí)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(dòng)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(dòng)圖是實(shí)驗(yàn)室中3kW永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其中線電流達(dá)到200~400A，此時(shí)電機(jī)引線所產(chǎn)生的空間電磁干擾，就會(huì)將實(shí)驗(yàn)室中的WIFI給阻塞掉，電腦USB端口也會(huì)由于干擾電壓造成USB設(shè)備無(wú)法識(shí)別。

圖2 大功率PMSM電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

平時(shí)習(xí)慣于利用集總參數(shù)器件模型進(jìn)行電路分析，此時(shí)就會(huì)深刻體會(huì)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(duì)于電磁傳感器的影響，除了對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)PWM頻率從18kHz一直變化到22kHz的過(guò)程中電磁傳感器所感應(yīng)信號(hào)幅度的變化。當(dāng)PWM頻率為20kHz的時(shí)候所產(chǎn)生的干擾信號(hào)最大，這是因?yàn)檐嚹５碾姶艂鞲衅鞔蠖颊{(diào)整在諧振頻率為20kHz。

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

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

可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證PWM頻率與電磁傳感器的干擾強(qiáng)度之間的關(guān)系。就在圖1所示的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)到的干擾信號(hào)幅值

從中可以看出，在多處頻率點(diǎn)（3.66,4,5,6.66,10,20kHz）都出現(xiàn)了干擾信號(hào)幅度的峰值。這些頻率有一個(gè)規(guī)律，它們?nèi)コ?0000都是整數(shù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也有效驗(yàn)證了周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分解的理論，那就是所有的周期信號(hào)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(shí)候，有效的避開(kāi)這些頻率點(diǎn)，就可以大大減少對(duì)于電磁傳感器的干擾。

另外，當(dāng)PWM的頻率超過(guò)20kHz的某一個(gè)數(shù)值（比如25kHz）,就不再會(huì)對(duì)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(dòng)電路的開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)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(shí)候還是選擇20kHz以內(nèi)的某個(gè)頻率（13kHz~17kHz）為好。

圖5 實(shí)驗(yàn)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(huì)驚訝的看到，這個(gè)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(gòu)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(shí)際測(cè)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?？梢钥闯鍪牵绻姼械某叽绫容^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(hào)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(duì)于此，可能有的同學(xué)會(huì)提問(wèn)，傳感器輸出信號(hào)大小，實(shí)際上對(duì)于檢測(cè)應(yīng)該沒(méi)有什么影響，因?yàn)橹灰ㄟ^(guò)調(diào)整后面信號(hào)放大電路的倍數(shù)，不僅可以大大提高信號(hào)的幅值，同時(shí)也可以將各個(gè)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(jìng)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(hào)，而是選擇有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)。下圖中，左邊顯示了一個(gè)沒(méi)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(hào)?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)諧振選頻電路，有用的信號(hào)大大增強(qiáng)了，而噪聲信號(hào)被去掉了。

圖7 選頻電路是提高信號(hào)的信噪比的關(guān)鍵

由于傳感器的信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路進(jìn)一步放大，滿足后面的信號(hào)檢測(cè)需要。所以傳感器的作用重點(diǎn)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(lái)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(lái)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(shí)候，對(duì)應(yīng)的上下截止頻率的差值。對(duì)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(lái)計(jì)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(hào)和噪聲才能夠通過(guò)傳感器，送往下一級(jí)檢測(cè)電路。通帶之外的噪聲就會(huì)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(qiáng)。

如何提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)呢？ 弄清楚這個(gè)問(wèn)題需要大家復(fù)習(xí)在電路原理中的基礎(chǔ)知識(shí)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(huì)將有用的信號(hào)也會(huì)被衰減，從而降低了輸出信號(hào)的信噪比。

同樣，根據(jù)本文一開(kāi)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(lái)的好處，就是能夠提高檢測(cè)分辨弱信號(hào)的能力，從而提高傳感器檢測(cè)信號(hào)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(yùn)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(shí)也要盡可能避免環(huán)境干擾信號(hào)、自身車模的干擾信號(hào)對(duì)于傳感器的干擾。
編輯：hfy