汽车电喇叭电磁干扰问题分析

彭承荣、蒋云峰

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

电喇叭作为整车上的强干扰电器，工作时极易干扰其他敏感信号[1]。例如，某品牌车在厂内测试时测试人员反馈，该车出现按喇叭会偶尔导致发动机故障灯故障灯点亮、加速踏板踏板失效等故障现象。测试人员采用示波器对故障车加速踏板信号、发动机控制单元输出5.0 V 电源，喇叭正极电压进行采集，发现喇叭工作时电压从0.0 V 上升至13.5 V 后，其余2 路信号出现剧烈波动。其中加速踏板信号电压波动幅度最大，并与喇叭电源线电压波动关联，可以判断该故障干扰源为电喇叭。

1 干扰源分析

从采集到的喇叭电压波形看（图1），是一个周期T 为1.93 ms（下面按2.00 ms 计算）的连续模拟信号，并且有一个脉宽为50 μs 的脉冲跳变。整个周期内，其余时间段的波形近似直线信号。电路上的电容和电感，其阻抗随着电压的变化速率大小而变化[2]，但脉冲波形在传播过程中不方便换算；而正/余弦曲波在传播中只有幅度和相位可能发生变化，其频率和波的形状仍是一样的。所以要用交变的正/余弦来表示上述脉冲信号会更加简单，方便计算电喇叭干扰脉冲的幅频特性。

图1 电喇叭在电源线上的干扰

根据傅里叶变换公式[3]，把脉冲波信号展开为正/余弦信号波形（图2），变成一个常量αAmax和一系列余弦波（频率间隔为500 Hz，幅值随着阶次提升下降不明显）。

图2 电喇叭脉冲信号傅里叶变换

所以，α=1/40，τ=40

当n=40 时（第40 次谐振波）出现振幅最小的余弦波，对应频率为20 kHz（500 Hz×40），40 阶次以后的余弦波幅值很小,这里可以忽略。所以这个脉冲在频域上集中在500 Hz～20 kHz，阶次越高其幅值逐步下降。

2 故障原因分析

实车观察发现，电喇叭线束和加速踏板线束有一段较长的共线线束,共线长度大于1.5 m。当喇叭工作时，喇叭电源线上产生的瞬态电流经过电源回路，由于共线而造成喇叭电源线与加速踏板信号线之间互感系数较大。喇叭电源线上的瞬态电流变化在加速踏板线束上感应出瞬态变化的电动势，加速踏板信号线通过发动机控制单元（ECU）与整车12.0 V 电源系统相连。所以ECU采集的加速踏板信号叠加了线路上的干扰信号，干扰传递路径如图3所示。

图3 干扰传递过程图

分析整个干扰传递路径，波1 为电喇叭在电源线上的干扰，干扰波形的周期t 为2 ms。每个周期有一个脉冲，该脉冲为喇叭线圈接通瞬间，由于动铁芯在高速运动，静铁芯线圈产生反向电动势（相当于发电机），见图1中的脉冲1。干扰波形的峰值为-8.0～19.0 V（参考地为蓄电池负极，示波器采样速率为1 MS/s），波形上升时间50 μs。图4为加速踏板信号线上干扰波形图，波形走势与图1一致，只是电压峰值下降峰值为-1.0～0.5 V（参考地为蓄电池负极）。

图4 油门踏板信号线上的干扰

图5是经过ECU 内部滤波电路滤波后的波形，图示信号2（黄色）为加速踏板信号，信号4（粉色）为喇叭电源电压。信号2的峰值为-1.0～0.5 V（参考地为蓄电池负极），表示内部滤波电路无法滤除该毛刺信号。

图5 ECU 内部滤波后的信号

图6中信号2 是模数转换器（ADC）处理之后的加速踏板信号，ADC 一般采样频率为200 kHz，而喇叭干扰信号频率大部分都在20 kHz 以下，容易被采集到。图6中所示的突变毛刺为ECU 采集到喇叭干扰信号，误以为是加速踏板加速信号异常（信号电压超过设定的最高阀值2.1 V），所以ECU 进入安全保护模式，使加速踏板无效。

图6 ECU 内部模（数）转换后的信号

3 解决措施

（1）从干扰源方面可以取消电喇叭内部电容（47 μF 大电容），改变电喇叭工作时干扰脉冲电压的上升或下降时间。该时间越短，转化到频谱图上能量（余弦波的幅值）落在高频区域越多，越容易被低通滤波电路滤除掉。

图7是取消电容后，喇叭干扰波形脉冲电压上升及下降时间（＜50 ns）。根据傅里叶变换公式换算第4 万次以内阶次谐波，其频带宽度为500 Hz～20 MHz。图8中信号2（黄色）为电喇叭取消电容经ECU 滤波后的加速踏板信号，可以看到喇叭干扰脉冲基本都被ECU 滤波电路滤除，实车验证故障消失。

图7 取消电容后电喇叭干扰波形

图8 取消电容ECU 内部滤波后的信号

（2）从传播途径上可以采用分开走线的方案，使喇叭线束和加速踏板线束不共线或者共线长度小于200 mm，可以大幅消减共线产生的互感系数，阻断传播途径。该方法不适合后期更改，因为线路走向已确定。

（3）从保护敏感源方面可以采用屏蔽线方法。在加速踏板信号线和搭铁线采用双芯屏蔽线，如果传输距离较短，则屏蔽层单端搭铁也能解决该问题。该方案成本较高。

（4）通过ECU 软件算法，采用算术平均滤波法也能滤除上述喇叭低频干扰。但是该方法对于测量速度较慢，或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，会引起响应慢等问题，所以不建议在加速踏板上使用。

4 结束语

解决干扰问题的方法可能有很多种，但是采用最低成本、最短周期的方法去解决问题，才能体现我们的价值。类似上述这种脉冲式干扰，先用傅里叶级数在频域上展开后，是一系列余弦波。脉冲上升时间越快，在频率范围内所占据的频带宽度越宽，能量在频域越分散，高频部分容易被滤波（因为模拟信号一般都是采低频，滤除高频），在时域上表现削峰作用明显。

相反，上升时间越慢，频带宽度越窄（都在低频段），能量在频域越集中，不易滤除，在时域上峰值几乎不变。通过改变干扰源频率特性，使其频段落在滤波电路工作频段之内被滤除，则是一种最优方案。