汽車電喇叭電磁干擾問(wèn)題分析

摘要：汽車電喇叭作為感性負(fù)載，工作時(shí)在線束上產(chǎn)生極大的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾，如果敏感信號(hào)線與電喇叭共線產(chǎn)生互感，敏感信號(hào)會(huì)受到干擾，這時(shí)如果敏感源信號(hào)回路的濾波電路無(wú)法濾除該干擾就是會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作甚至失效;所以本文主要研究敏感信號(hào)端的濾波電路頻帶寬度和干擾波形用傅里葉變換公式展開(kāi)后的頻譜圖之間的關(guān)系，找出相互之間的幅頻特性，然后采用最低成本最短周期的方法去解決干擾問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電喇叭干擾;油門(mén)踏板;幅頻特性;頻譜

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

電喇叭作為整車上的強(qiáng)干擾電器，工作時(shí)極易干擾其他敏感信號(hào)。例如，某品牌車在廠內(nèi)測(cè)試時(shí)測(cè)試人員反饋，該車出現(xiàn)按喇叭會(huì)偶爾導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈故障燈點(diǎn)亮、加速踏板踏板失效等故障現(xiàn)象。測(cè)試人員采用示波器對(duì)故障車加速踏板信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元輸出5.0V電源，喇叭正極電壓進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)喇叭工作時(shí)電壓從0.0V上升至13.5V后，其余2路信號(hào)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。其中加速踏板信號(hào)電壓波動(dòng)幅度最大，并與喇叭電源線電壓波動(dòng)關(guān)聯(lián)，可以判斷該故障干擾源為電喇叭。

1干擾源分析

從采集到的喇叭電壓波形看（圖1），是一個(gè)周期T為1.93ms（下面按2.00ms計(jì)算）的連續(xù)模擬信號(hào)，并且有一個(gè)脈寬為50μs的脈沖跳變。整個(gè)周期內(nèi)，其余時(shí)間段的波形近似直線信號(hào)。電路上的電容和電感，其阻抗隨著電壓的變化速率大小而變化口]，但脈;中波形在傳播過(guò)程中不方便換算;而正/余弦曲波在傳播中只有幅度和相位可能發(fā)生變化，其頻率和波的形狀仍是一樣的。所以要用交變的正/余弦來(lái)表示上述脈沖信號(hào)會(huì)更加簡(jiǎn)單，方便計(jì)算電喇叭干擾脈沖的幅頻特性。

根據(jù)傅里葉變換公式，把脈沖波信號(hào)展開(kāi)為正/余弦信號(hào)波形（圖2），變成一個(gè)常量αA_max和一系列余弦波（頻率間隔為500Hz，幅值隨著階次提升下降不明顯）。

當(dāng)n=40時(shí)（第40次諧振波）出現(xiàn)振幅最小的余弦波，對(duì)應(yīng)頻率為20 kHz（500Hz×40），40階次以后的余弦波幅值很小，這里可以忽略。所以這個(gè)脈沖在頻域上集中在500Hz～20 kHz，階次越高其幅值逐步下降。

2故障原因分析

實(shí)車觀察發(fā)現(xiàn)，電喇叭線束和加速踏板線束有一段較長(zhǎng)的共線線束，共線長(zhǎng)度大于1.5m。當(dāng)喇叭工作時(shí)，喇叭電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)電流經(jīng)過(guò)電源回路，由于共線而造成喇叭電源線與加速踏板信號(hào)線之間互感系數(shù)較大。喇叭電源線上的瞬態(tài)電流變化在加速踏板線束上感應(yīng)出瞬態(tài)變化的電動(dòng)勢(shì)，加速踏板信號(hào)線通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）與整車12.0V電源系統(tǒng)相連。所以ECU采集的加速踏板信號(hào)疊加了線路上的干擾信號(hào)，干擾傳遞路徑如圖3所示。

分析整個(gè)干擾傳遞路徑，波1為電喇叭在電源線上的干擾，干擾波形的周期t為2 ms。每個(gè)周期有一個(gè)脈沖，該脈沖為喇叭線圈接通瞬間，由于動(dòng)鐵芯在高速運(yùn)動(dòng)，靜鐵芯線圈產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)），見(jiàn)圖1中的脈沖1。干擾波形的峰值為-8.0～19.0V（參考地為蓄電池負(fù)極，示波器采樣速率為1MS/s），波形上升時(shí)間50μs。圖4為加速踏板信號(hào)線上干擾波形圖，波形走勢(shì)與圖1一致，只是電壓峰值下降峰值為-1.0～0.5V（參考地為蓄電池負(fù)極）。

圖5是經(jīng)過(guò)ECU內(nèi)部濾波電路濾波后的波形，圖示信號(hào)2（黃色）為加速踏板信號(hào)，信號(hào)4（粉色）為喇叭電源電壓。信號(hào)2的峰值為-1.0～0.5V（參考地為蓄電池負(fù)極），表示內(nèi)部濾波電路無(wú)法濾除該毛刺信號(hào)。

圖6中信號(hào)2是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理之后的加速踏板信號(hào)，ADC一般采樣頻率為200 kHz，而喇叭干擾信號(hào)頻率大部分都在20 kHz以下，容易被采集到。圖6中所示的突變毛刺為ECU采集到喇叭干擾信號(hào)，誤以為是加速踏板加速信號(hào)異常（信號(hào)電壓超過(guò)設(shè)定的最高閥值2.1V），所以ECU進(jìn)入安全保護(hù)模式，使加速踏板無(wú)效。

3解決措施

（1）從干擾源方面可以取消電喇叭內(nèi)部電容（47μF大電容），改變電喇叭工作時(shí)干擾脈沖電壓的上升或下降時(shí)間。該時(shí)間越短，轉(zhuǎn)化到頻譜圖上能量（余弦波的幅值）落在高頻區(qū)域越多，越容易被低通濾波電路濾除掉。

圖7是取消電容后，喇叭干擾波形脈沖電壓上升及下降時(shí)間（lt;50ns）。根據(jù)傅里葉變換公式換算第4萬(wàn)次以內(nèi)階次諧波，其頻帶寬度為500 Hz～20 MHz。圖8中信號(hào)2（黃色）為電喇叭取消電容經(jīng)ECU濾波后的加速踏板信號(hào)，可以看到喇叭干擾脈沖基本都被ECU濾波電路濾除，實(shí)車驗(yàn)證故障消失。

（2）從傳播途徑上可以采用分開(kāi)走線的方案，使喇叭線束和加速踏板線束不共線或者共線長(zhǎng)度小于200mm，可以大幅消減共線產(chǎn)生的互感系數(shù)，阻斷傳播途徑。該方法不適合后期更改，因?yàn)榫€路走向已確定。

（3）從保護(hù)敏感源方面可以采用屏蔽線方法。在加速踏板信號(hào)線和搭鐵線采用雙芯屏蔽線，如果傳輸距離較短，則屏蔽層單端搭鐵也能解決該問(wèn)題。該方案成本較高。

（4）通過(guò)ECU軟件算法，采用算術(shù)平均濾波法也能濾除上述喇叭低頻干擾。但是該方法對(duì)于測(cè)量速度較慢，或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用，會(huì)引起響應(yīng)慢等問(wèn)題，所以不建議在加速踏板上使用。

4結(jié)束語(yǔ)

解決干擾問(wèn)題的方法可能有很多種，但是采用最低成本、最短周期的方法去解決問(wèn)題，才能體現(xiàn)我們的價(jià)值。類似上述這種脈;中式干擾，先用傅里葉級(jí)數(shù)在頻域上展開(kāi)后，是一系列余弦波。脈沖上升時(shí)間越快，在頻率范圍內(nèi)所占據(jù)的頻帶寬度越寬，能量在頻域越分散，高頻部分容易被濾波（因?yàn)槟M信號(hào)一般都是采低頻，濾除高頻），在時(shí)域上表現(xiàn)削峰作用明顯。

相反，上升時(shí)間越慢，頻帶寬度越窄（都在低頻段），能量在頻域越集中，不易濾除，在時(shí)域上峰值幾乎不變。通過(guò)改變干擾源頻率特性，使其頻段落在濾波電路工作頻段之內(nèi)被濾除，則是一種最優(yōu)方案。