汽車電喇叭電磁干擾問題分析

彭承榮　蔣云峰

摘要：汽車電喇叭作為感性負載，工作時在線束上產(chǎn)生極大的瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾，如果敏感信號線與電喇叭共線產(chǎn)生互感，敏感信號會受到干擾，這時如果敏感源信號回路的濾波電路無法濾除該干擾就是會產(chǎn)生誤動作甚至失效;所以本文主要研究敏感信號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題。

關(guān)鍵詞：電喇叭干擾;油門踏板;幅頻特性;頻譜

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A

0引言

電喇叭作為整車上的強干擾電器，工作時極易干擾其他敏感信號。例如，某品牌車在廠內(nèi)測試時測試人員反饋，該車出現(xiàn)按喇叭會偶爾導(dǎo)致發(fā)動機故障燈故障燈點亮、加速踏板踏板失效等故障現(xiàn)象。測試人員采用示波器對故障車加速踏板信號、發(fā)動機控制單元輸出5.0V電源，喇叭正極電壓進行采集，發(fā)現(xiàn)喇叭工作時電壓從0.0V上升至13.5V后，其余2路信號出現(xiàn)劇烈波動。其中加速踏板信號電壓波動幅度最大，并與喇叭電源線電壓波動關(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），是一個周期T為1.93ms（下面按2.00ms計算）的連續(xù)模擬信號，并且有一個脈寬為50μs的脈沖跳變。整個周期內(nèi)，其余時間段的波形近似直線信號。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/余弦來表示上述脈沖信號會更加簡單，方便計算電喇叭干擾脈沖的幅頻特性。

根據(jù)傅里葉變換公式，把脈沖波信號展開為正/余弦信號波形（圖2），變成一個常量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n=40時（第40次諧振波）出現(xiàn)振幅最小的余弦波，對應(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

實車觀察發(fā)現(xiàn)，電喇叭線束和加速踏板線束有一段較長的共線線束，共線長度大于1.5m。當喇叭工作時，喇叭電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)電流經(jīng)過電源回路，由于共線而造成喇叭電源線與加速踏板信號線之間互感系數(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)變化的電動勢，加速踏板信號線通過發(fā)動機控制單元（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疊加了線路上的干擾信號，干擾傳遞路徑如圖3所示。

分析整個干擾傳遞路徑，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。每個周期有一個脈沖，該脈沖為喇叭線圈接通瞬間，由于動鐵芯在高速運動，靜鐵芯線圈產(chǎn)生反向電動勢（相當于發(fā)電機），見圖1中的脈沖1。干擾波形的峰值為-8.0～19.0V（參考地為蓄電池負極，示波器采樣速率為1MS/s），波形上升時間50μs。圖4為加速踏板信號線上干擾波形圖，波形走勢與圖1一致，只是電壓峰值下降峰值為-1.0～0.5V（參考地為蓄電池負極）。

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

圖6中信號2是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理之后的加速踏板信號，ADC一般采樣頻率為200 kHz，而喇叭干擾信號頻率大部分都在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，誤以為是加速踏板加速信號異常（信號電壓超過設(shè)定的最高閥值2.1V），所以ECU進入安全保護模式，使加速踏板無效。

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），改變電喇叭工作時干擾脈沖電壓的上升或下降時間。該時間越短，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間（<50ns）。根據(jù)傅里葉變換公式換算第4萬次以內(nèi)階次諧波，其頻帶寬度為500 Hz～20 MHz。圖8中信號2（黃色）為電喇叭取消電容經(jīng)ECU濾波后的加速踏板信號，可以看到喇叭干擾脈沖基本都被ECU濾波電路濾除，實車驗證故障消失。

（2）從傳播途徑上可以采用分開走線的方案，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，因為線路走向已確定。

（3）從保護敏感源方面可以采用屏蔽線方法。在加速踏板信號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題。該方案成本較高。

（4）通過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。但是該方法對于測量速度較慢，或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用，會引起響應(yīng)慢等問題，所以不建議在加速踏板上使用。

4結(jié)束語

解決干擾問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題，才能體現(xiàn)我們的價值。類似上述這種脈;中式干擾，先用傅里葉級數(shù)在頻域上展開后，是一系列余弦波。脈沖上升時間越快，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（因為模擬信號一般都是采低頻，濾除高頻），在時域上表現(xiàn)削峰作用明顯。

相反，上升時間越慢，頻帶寬度越窄（都在低頻段），能量在頻域越集中，不易濾除，在時域上峰值幾乎不變。通過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。