看到有同學問：為什么電磁車模，在開啟電機之后，采集的電磁強度數值出現異常的問題。通過多次實驗發現采集電磁數值異常與電機開啟有這明顯的因果關系。并且，電機速度越快，數值越加凌亂，使得車模舵機控制不穩。

車模中，由于電機工作起來電流很大，所產生的電磁干擾也很強。這部分的干擾噪聲可以通過電路中的電源線耦合、空間電磁場傳輸等途徑對于信號采集電路和控制電路造成影響。通過電源合理布線、使用恰當的電源去耦電容可以大大減輕噪聲通過線路傳輸的影響。但是空間干擾則顯得有些神秘和難以消除。

下面的動圖顯示電機運行的時候對于附近的10mH諧振電感所產生的干擾情況。

圖1 電機對于附近電磁傳感器的干擾

說實在的，車模上的電機還是屬于小功率的直流電機。驅動電流從幾百毫安到十幾安培，空間干擾還算是輕的。如下的動圖是實驗室中3kW永磁同步電機驅動模塊，其中線電流達到200~400A，此時電機引線所產生的空間電磁干擾，就會將實驗室中的WIFI給阻塞掉，電腦USB端口也會由于干擾電壓造成USB設備無法識別。

圖2 大功率PMSM電機及其驅動模塊

平時習慣于利用集總參數器件模型進行電路分析，此時就會深刻體會到，周圍的空間也是進行電磁波傳輸的載體。

為了減少電機對于電磁傳感器的影響，除了對于電機驅動引線盡量使用短的電線傳輸之外，恰當的選擇電機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系。

下圖顯示出電機驅動PWM頻率從18kHz一直變化到22kHz的過程中電磁傳感器所感應信號幅度的變化。當PWM頻率為20kHz的時候所產生的干擾信號最大，這是因為車模的電磁傳感器大都調整在諧振頻率為20kHz。

圖3 電磁傳感器感應信號幅度隨著PWM頻率變化，在20kHz的時候發生諧振

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

可以通過實驗來驗證PWM頻率與電磁傳感器的干擾強度之間的關系。就在圖1所示的實驗場景。改變PWM的頻率，從750Hz到25000Hz, PWM占空比設置為10%。使用交流電壓表測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系。

圖4 不同PWM頻率下，電磁傳感器檢測到的干擾信號幅值

從中可以看出，在多處頻率點（3.66,4,5,6.66,10,20kHz）都出現了干擾信號幅度的峰值。這些頻率有一個規律，它們去除20000都是整數。這個實驗也有效驗證了周期信號的傅里葉級數分解的理論，那就是所有的周期信號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倍數。因此，在設置PWM頻率的時候，有效的避開這些頻率點，就可以大大減少對于電磁傳感器的干擾。

另外，當PWM的頻率超過20kHz的某一個數值（比如25kHz）,就不再會對電磁傳感器產生干擾了。但是，由于頻率增加，電機驅動電路的開關損耗也會隨之增加，是的電機有效輸出電流減低。所以建議選擇PWM頻率的時候還是選擇20kHz以內的某個頻率（13kHz~17kHz）為好。

圖5 實驗室的一角

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特性。大家會驚訝的看到，這個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際測試的諧振曲線，它們的諧振頻率大都幾種在20kHz左右。其中頻率非常準確的是采用了高精度的電容配成的諧振回路。可以看出是，如果電感的尺寸比較大，所感應的電壓比較大。同樣，如果諧振頻率比較準確，在20kHz信號輸出幅度也比較大。

圖6 不同工字型電感組成的諧振回路的頻率響應曲線

對于此，可能有的同學會提問，傳感器輸出信號大小，實際上對于檢測應該沒有什么影響，因為只要通過調整后面信號放大電路的倍數，不僅可以大大提高信號的幅值，同時也可以將各個傳感器的輸出調整到一致。

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賽的需要了。

如果需要進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，而是選擇有用信號，濾除干擾信號。下圖中，左邊顯示了一個沒有匹配諧振電容的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。可以看出，經過諧振選頻電路，有用的信號大大增強了，而噪聲信號被去掉了。

圖7 選頻電路是提高信號的信噪比的關鍵

由于傳感器的信號會經過后級放大電路進一步放大，滿足后面的信號檢測需要。所以傳感器的作用重點是在于能夠將噪聲濾除多干凈。這是由諧振電路的選頻特性來決定的。

諧振電路的選頻特性可以由電路頻率響應的帶寬來決定。一般情況下，帶寬定義為電路頻率響應下降1/sqrt(2)=0.707倍的時候，對應的上下截止頻率的差值。對于二階諧振電路，帶寬可以使用諧振電路的品質因數，也稱之為Q值來計算。具體公式由下圖中顯示。

圖8 RLC諧振電路的帶寬以及品質因數

只有位于諧振傳感器帶寬內的信號和噪聲才能夠通過傳感器，送往下一級檢測電路。通帶之外的噪聲就會濾除。所以諧振電路的帶寬越窄，或者品質因數越高，濾除噪聲的能力就一越強。

如何提高傳感器的品質因數呢？ 弄清楚這個問題需要大家復習在電路原理中的基礎知識了。

但是，如果傳感器的諧振曲線的中心不位于20kHz的話，這樣就會將有用的信號也會被衰減，從而降低了輸出信號的信噪比。

同樣，根據本文一開始敘述的那樣，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，進而降低傳感器輸出的噪聲。

提高傳感器的信噪比所帶來的好處，就是能夠提高檢測分辨弱信號的能力，從而提高傳感器檢測信號的距離和精度。

傳感器是智能車的眼睛，也是智能車穩定運行的基礎。提高眼睛的靈敏度，不僅需要選擇優良的傳感器的器件，同時也要盡可能避免環境干擾信號、自身車模的干擾信號對于傳感器的干擾。
編輯：hfy