电磁信号检测 | 本是同根生，相煎何太急

  近期，看到有同学问：为什么电磁车模，在开启电机之后，采集的电磁强度数值出现异常的问题。通过多次实验发现采集电磁数值异常与电机开启有这明显的因果关系。并且，电机速度越快，数值越加凌乱，使得车模舵机控制不稳。

  车模中，由于电机工作起来电流很大，所产生的电磁干扰也很强。这部分的干扰噪声可以通过电路中的电源线耦合、空间电磁场传输等途径对于信号采集电路和控制电路造成影响。通过电源合理布线、使用恰当的电源去耦电容可以大大减轻噪声通过线路传输的影响。但是空间干扰则显得有些神秘和难以消除。

  下面的动图显示电机运行的时候对于附近的10mH谐振电感所产生的干扰情况。

图1 电机对于附近电磁传感器的干扰

  说实在的，车模上的电机还是属于小功率的直流电机。驱动电流从几百毫安到十几安培，空间干扰还算是轻的。如下的动图是实验室中3kW永磁同步电机驱动模块，其中线电流达到200~400A，此时电机引线所产生的空间电磁干扰，就会将实验室中的WIFI给阻塞掉，电脑USB端口也会由于干扰电压造成USB设备无法识别。

图2 大功率PMSM电机及其驱动模块

  平时习惯于利用集总参数器件模型进行电路分析，此时就会深刻体会到，周围的空间也是进行电磁波传输的载体。

  为了减少电机对于电磁传感器的影响，除了对于电机驱动引线尽量使用短的电线传输之外，恰当的选择电机PWM频率也可以起到非常好的效果。这是利用电磁传感器的选频特性以及PWM波形中的谐波分解之间的关系。

  下图显示出电机驱动PWM频率从18kHz一直变化到22kHz的过程中电磁传感器所感应信号幅度的变化。当PWM频率为20kHz的时候所产生的干扰信号最大，这是因为车模的电磁传感器大都调整在谐振频率为20kHz。

图3 电磁传感器感应信号幅度随着PWM频率变化，在20kHz的时候发生谐振

  那么是否在设置电机PWM频率的时候只要不设置为20kHz，就可以避免对于电磁传感器造成很大的干扰了呢。

  可以通过实验来验证PWM频率与电磁传感器的干扰强度之间的关系。就在图1所示的实验场景。改变PWM的频率，从750Hz到25000Hz, PWM占空比设置为10%。使用交流电压表测量工字型电感谐振电路的输出电压。下图显示处电磁传感器输出交流电压有效值与频率之间的关系。

图4 不同PWM频率下，电磁传感器检测到的干扰信号幅值

  从中可以看出，在多处频率点（3.66,4,5,6.66,10,20kHz）都出现了干扰信号幅度的峰值。这些频率有一个规律，它们去除20000都是整数。这个实验也有效验证了周期信号的傅里叶级数分解的理论，那就是所有的周期信号都可以分解成基波和它的谐波的叠加。这些谐波都是基波的整数倍数。因此，在设置PWM频率的时候，有效的避开这些频率点，就可以大大减少对于电磁传感器的干扰。

  另外，当PWM的频率超过20kHz的某一个数值（比如25kHz）,就不再会对电磁传感器产生干扰了。但是，由于频率增加，电机驱动电路的开关损耗也会随之增加，是的电机有效输出电流减低。所以建议选择PWM频率的时候还是选择20kHz以内的某个频率（13kHz~17kHz）为好。

图5 实验室的一角

  从上面的图中，也可以看到常用到的工字型电磁传感器的频率响应特性。大家会惊讶的看到，这个电磁传感器的谐振频率恰好就是20kHz。通常大家所使用的电感大都选用10mH工字型电感，需要选择6.33nF的电容可以将LC谐振频率配置成20kHz。容易选购到的普通电容为6.8nF，使用6.8nF的电容电路的谐振频率19.3kHz。

  下图是使用了几种工字型电感的实际测试的谐振曲线，它们的谐振频率大都几种在20kHz左右。其中频率非常准确的是采用了高精度的电容配成的谐振回路。可以看出是，如果电感的尺寸比较大，所感应的电压比较大。同样，如果谐振频率比较准确，在20kHz信号输出幅度也比较大。

图6 不同工字型电感组成的谐振回路的频率响应曲线

  对于此，可能有的同学会提问，传感器输出信号大小，实际上对于检测应该没有什么影响，因为只要通过调整后面信号放大电路的倍数，不仅可以大大提高信号的幅值，同时也可以将各个传感器的输出调整到一致。

  的确，通常情况下，选用精度不高的电感、电容组成的谐振回路就可以满足车模竞赛的需要了。

  如果需要进一步指出精度高的好处，就需要理解使用谐振LC回路组成的电磁传感器的作用。它的主要作用并不是放大信号，而是选择有用信号，滤除干扰信号。下图中，左边显示了一个没有匹配谐振电容的10mH工字型电感的输出波形，右边显示了匹配有谐振电容后输出信号。可以看出，经过谐振选频电路，有用的信号大大增强了，而噪声信号被去掉了。

图7 选频电路是提高信号的信噪比的关键

  由于传感器的信号会经过后级放大电路进一步放大，满足后面的信号检测需要。所以传感器的作用重点是在于能够将噪声滤除多干净。这是由谐振电路的选频特性来决定的。

  谐振电路的选频特性可以由电路频率响应的带宽来决定。一般情况下，带宽定义为电路频率响应下降1/sqrt(2)=0.707倍的时候，对应的上下截止频率的差值。对于二阶谐振电路，带宽可以使用谐振电路的品质因数，也称之为Q值来计算。具体公式由下图中显示。

图8 RLC谐振电路的带宽以及品质因数

  只有位于谐振传感器带宽内的信号和噪声才能够通过传感器，送往下一级检测电路。通带之外的噪声就会滤除。所以谐振电路的带宽越窄，或者品质因数越高，滤除噪声的能力就一越强。

  如何提高传感器的品质因数呢？ 弄清楚这个问题需要大家复习在电路原理中的基础知识了。

  但是，如果传感器的谐振曲线的中心不位于20kHz的话，这样就会将有用的信号也会被衰减，从而降低了输出信号的信噪比。

  同样，根据本文一开始叙述的那样，也需要尽可能将干扰噪声的频率移除传感器的通带范围之外，进而降低传感器输出的噪声。

  提高传感器的信噪比所带来的好处，就是能够提高检测分辨弱信号的能力，从而提高传感器检测信号的距离和精度。

  传感器是智能车的眼睛，也是智能车稳定运行的基础。提高眼睛的灵敏度，不仅需要选择优良的传感器的器件，同时也要尽可能避免环境干扰信号、自身车模的干扰信号对于传感器的干扰。

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