調(diào)速電機AM輻射噪聲研究

*作者簡介：魏亞男（1992—），工程師，主要從事電磁兼容開發(fā)與驗證相關(guān)工作。E-mail：weiyanan_tj@163.com。

為實現(xiàn)電機調(diào)速功能，許多產(chǎn)品采用PWM 驅(qū)動的設(shè)計^[1-2]，如整車座椅設(shè)計中實現(xiàn)座椅調(diào)節(jié)的調(diào)速功能，座椅模塊通過調(diào)節(jié)輸出PWM 占空比，實現(xiàn)調(diào)速。這種系統(tǒng)方案在進行輻射騷擾測試時大多會出現(xiàn)AM 頻段超標(biāo)現(xiàn)象，反映在整車上會在收音機AM 電臺上出現(xiàn)明顯噪聲。本文以此為背景，研究噪聲來源與影響因素，以解決該設(shè)計方案AM 頻段噪聲超標(biāo)問題。

1   背景

某款車型調(diào)速電機進行系統(tǒng)級電磁兼容測試時出現(xiàn)AM 頻段輻射超標(biāo)的現(xiàn)象，輻射干擾測試結(jié)果如圖1 所示，且整車級EMC 測試時電機系統(tǒng)干擾收音機AM 電臺，產(chǎn)生明顯的噪聲。

圖1 輻射干擾測試結(jié)果

2   問題分析

為研究該測試結(jié)果的影響因素，本文通過搭建電機系統(tǒng)等效模型，研究電機參數(shù)以及控制信號對RE 的影響。

該調(diào)速電機由控制模塊輸出PWM 信號控制：T_r=T_f=1 μs 。借助仿真軟件搭建該電機系統(tǒng)等效模型，電機內(nèi)部電路如圖2 所示，輻射騷擾的仿真與測試對比結(jié)果如圖3 所示。由于仿真結(jié)果為3 m 場數(shù)據(jù)，且考慮實際測試環(huán)境與仿真環(huán)境的差異，仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)有少許差異。由此證明仿真模型的有效性。

圖2 電機內(nèi)部電路

圖3 仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)對比

2.1 電機參數(shù)影響

由圖4 電機內(nèi)部參數(shù)對AM 噪聲影響可知，調(diào)整電機內(nèi)部器件參數(shù)：X 電容（圖4.1）、Y 電容（圖4.2）以及串聯(lián)電感（圖4.3）對AM 噪聲超標(biāo)無明顯改善，故僅通過調(diào)整電機元器件參數(shù)無法達到降低AM 噪聲的目的。

圖4.1 X電容影響

圖4.2 Y電容影響

圖4.3 電感影響

圖4 電機內(nèi)部參數(shù)對AM噪聲影響

2.2 PWM控制信號參數(shù)影響

由式（1）傅里葉變換公式^[3]，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，該PWM 控制信號的頻譜分布如圖5 所示。

 公式（1）

該PWM信號在AM頻段的頻譜分量最高達160 mV，改變PWM 邊沿斜率，即增加上升下降沿時間，可明顯改善AM 頻段輻射噪聲，如圖6 PWM 邊沿速率影響所示。圖7 為不同邊沿速率PWM 信號的頻譜對比，由圖可知，邊沿越陡峭，AM 頻段頻譜分量的幅值越大，即所包含能量越高，從而產(chǎn)生的輻射干擾越大。此外，降低電流也對AM 噪聲有明顯改善，但考慮電機功率，該改進方案不可取。

由以上分析可知，該調(diào)速電機AM 輻射噪聲根源為PWM 信號邊沿所包含的頻譜分量，且調(diào)整電機參數(shù)對噪聲結(jié)果無明顯改善。因此，最終優(yōu)化方案為延緩PWM 邊沿至25 μs。

圖5 控制信號頻譜分布

圖6 PWM邊沿速率影響

圖7 PWM信號頻譜

3   結(jié)束語

本文通過仿真分析，定位PWM 信號為調(diào)速電機系統(tǒng)產(chǎn)生AM 噪聲的根源。由仿真計算結(jié)果得出：改變電機元器件參數(shù)對噪聲結(jié)果無明顯改善；減緩PWM 上升下降沿，即降低AM 頻段的頻譜分量可明顯降低AM噪聲，最終通過調(diào)整PWM 邊沿至25 μs 解決了AM 輻射超標(biāo)的問題。

因此，在電機驅(qū)動電路設(shè)計中，應(yīng)關(guān)注PWM 信號參數(shù)，前期結(jié)合仿真計算，從源頭上避免噪聲超標(biāo)的現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]王蘇.直流電機PWM調(diào)速研究及單片機控制實現(xiàn)[J].機電工程技術(shù),2008,37(11):82-84.

[2]庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].煤炭技術(shù),2011,30(6):62-63.

[3]李庚銀,寧宇.快速傅里葉變換的兩種改進算法[J].電力系統(tǒng)自動化,1997,21(12):37-40.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）