調速電機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與驗證相關工作。E-mail：weiyanan_tj@163.com。

為實現電機調速功能，許多產品采用PWM 驅動的設計^[1-2]，如整車座椅設計中實現座椅調節的調速功能，座椅模塊通過調節輸出PWM 占空比，實現調速。這種系統方案在進行輻射騷擾測試時大多會出現AM 頻段超標現象，反映在整車上會在收音機AM 電臺上出現明顯噪聲。本文以此為背景，研究噪聲來源與影響因素，以解決該設計方案AM 頻段噪聲超標問題。

1   背景

某款車型調速電機進行系統級電磁兼容測試時出現AM 頻段輻射超標的現象，輻射干擾測試結果如圖1 所示，且整車級EMC 測試時電機系統干擾收音機AM 電臺，產生明顯的噪聲。

圖1 輻射干擾測試結果

2   問題分析

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

該調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等效模型，電機內部電路如圖2 所示，輻射騷擾的仿真與測試對比結果如圖3 所示。由于仿真結果為3 m 場數據，且考慮實際測試環境與仿真環境的差異，仿真數據與實測數據有少許差異。由此證明仿真模型的有效性。

圖2 電機內部電路

圖3 仿真數據與測試數據對比

2.1 電機參數影響

由圖4 電機內部參數對AM 噪聲影響可知，調整電機內部器件參數：X 電容（圖4.1）、Y 電容（圖4.2）以及串聯電感（圖4.3）對AM 噪聲超標無明顯改善，故僅通過調整電機元器件參數無法達到降低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 電機內部參數對AM噪聲影響

2.2 PWM控制信號參數影響

由式（1）傅里葉變換公式^[3]，將時域信號轉換為頻域信號，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，且調整電機參數對噪聲結果無明顯改善。因此，最終優化方案為延緩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   結束語

本文通過仿真分析，定位PWM 信號為調速電機系統產生AM 噪聲的根源。由仿真計算結果得出：改變電機元器件參數對噪聲結果無明顯改善；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，最終通過調整PWM 邊沿至25 μs 解決了AM 輻射超標的問題。

因此，在電機驅動電路設計中，應關注PWM 信號參數，前期結合仿真計算，從源頭上避免噪聲超標的現象。

參考文獻：

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

[2]庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統設計與開發[J].煤炭技術,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].電力系統自動化,1997,21(12):37-40.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年1月期）