EMC تصميم وطريقة تنفيذ محرك BLDC

المبدأ: وفقًا لمعادلات ماكسويل، ينتشر التداخل الكهرومغناطيسي على شكل موجات كهرومغناطيسية، تحتوي على مكونات مجال كهربائي ومغناطيسي متناوبة. المعادن لديها الموصلية الكهربائية العالية والنفاذية المغناطيسية. عندما يحدث تداخل كهرومغناطيسي على طبقة التدريع المعدنية، وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي، فإن المجال الكهربائي سيدفع الإلكترونات الحرة في المعدن للتحرك بطريقة اتجاهية، وبالتالي توليد تيار مستحث. وفقًا لقانون لينز، فإن المجال المغناطيسي المثار بالتيار المستحث يكون معاكسًا للمجال المغناطيسي للتداخل الحادث، ويتم تركيب الاثنين على بعضهما البعض لتعويض جزء من المجال المغناطيسي للتداخل بشكل فعال؛ وفي الوقت نفسه، وفقًا للشروط الحدودية للمجال الكهربائي، يمكن لطبقة التدريع المعدنية أن تقطع مسار انتشار المجال الكهربائي، وبالتالي تحقيق تأثير التدريع.

عملية محددة: في عملية تصنيع المحرك، استنادًا إلى الخواص الكهرومغناطيسية للمادة، تُفضل سبائك الألومنيوم (التي تبلغ موصليتها الكهربائية حوالي 3.5×10⁷ S/m والنفاذية المغناطيسية النسبية قريبة من 1) وسبائك الحديد والنيكل (ذات النفاذية المغناطيسية العالية، مثل Permalloy، والتي يمكن أن تصل إلى 10⁵ في مجال مغناطيسي ضعيف) كمواد لتغليف المحرك. واعتماد تكنولوجيا الختم المتقدمة، مثل اللحام بالليزر، ومانع التسرب المعدني، وما إلى ذلك، لتقليل الفجوات والثقوب في الغلاف لمنع تسرب التداخل الكهرومغناطيسي. خذ محرك BLDC في معدات الأتمتة الصناعية كمثال. ويستخدم قذيفة سبائك الألومنيوم. من خلال تقنية المعالجة CNC الدقيقة، تكون الفجوة عند وصلة الغلاف أقل من 0.1 مم، مما يقلل بشكل فعال من كثافة الإشعاع الكهرومغناطيسي. بالنسبة لدائرة القيادة، وفقًا لحجم لوحة الدائرة وشدة التداخل الكهرومغناطيسي، يتم اختيار غطاء حماية معدني بسمك مناسب، مثل غطاء حماية نحاسي بسمك 0.5-1 مم، ويتم لحام الشظايا المعدنية بواسطة تقنية التركيب السطحي (SMT) لضمان تكوين اتصال كهربائي منخفض المقاومة بين غطاء الحماية ولوحة الدائرة.

ملحوظة: في عملية تصميم التدريع، يجب اتباع إرشادات تصميم التوافق الكهرومغناطيسي بدقة لتجنب تكوين مصادر تداخل جديدة بين طبقات التدريع المختلفة. على سبيل المثال، في الأنظمة الإلكترونية للسيارات، يجب أن يكون غلاف المحرك وغطاء حماية دائرة القيادة مقترنًا بالتيار المتردد من خلال المكثفات، ويتم استخدام أجهزة العزل مثل optocouplers للعزل الكهربائي لمنع التداخل الكهرومغناطيسي الجديد الناجم عن التيار الناتج عن فرق الجهد. بالإضافة إلى ذلك، فإن تأريض طبقة التدريع مهم جدًا. وفقًا لنظرية التأريض، من الضروري التأكد من أن مقاومة التأريض أقل من 0.1 أوم لتحقيق حماية كهرومغناطيسية فعالة.

2. البناء الدقيق لنظام التأريض

المبدأ: وفقًا لقانون أوم وقانون كيرشوف، فإن الغرض الأساسي من التأريض هو توفير مسار عودة منخفض المقاومة للتيار، بحيث يكون الغلاف المعدني للمعدات بنفس إمكانات الأرض. هذا لا يمكن فقط تجنب الجهد العالي الناتج عن تراكم الكهرباء الساكنة والحث الكهرومغناطيسي من التسبب في ضرر للمعدات والأفراد، ولكن أيضًا قمع التداخل الكهرومغناطيسي بشكل فعال على أساس مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. عندما يحدث الحث الكهرومغناطيسي في المعدات، يمكن لنظام التأريض إدخال التيار المستحث إلى الأرض بسرعة، وبالتالي تقليل القوة الدافعة الكهربائية المستحثة على المعدات.

عملية محددة: يتم توصيل الغلاف المعدني للمحرك بالأرض من خلال سلك تأريض مخصص. وفقًا لمعيار حساب قدرة الحمل الحالية للأسلاك والكابلات، يجب حساب مساحة المقطع العرضي لسلك التأريض بدقة واختيارها وفقًا للقوة المقدرة للمحرك والحد الأقصى لتيار الدائرة القصيرة الذي يمكن توليده لضمان قدرة حمل تيار كافية. في محرك BLDC صناعي بقدرة 5 كيلو وات، يتم اختيار سلك تأريض نحاسي بمساحة مقطعية تبلغ 6 مم² بعد الحساب لتلبية متطلبات الحمل الحالية في ظل تيار الدائرة القصيرة. في دائرة القيادة، عند استخدام لوحة دوائر مطبوعة متعددة الطبقات (PCB)، يتم تعريف طبقة واحدة على وجه التحديد على أنها المستوى الأرضي، ويتم استخدام برنامج تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور الاحترافي (مثل Altium Designer) لتخطيط الممرات الأرضية بشكل معقول لضمان إمكانية توصيل المسامير الأرضية لكل مكون بالمستوى الأرضي القريب. بالنسبة لبعض أجزاء الدائرة التناظرية الرئيسية، مثل دائرة معالجة إشارة مستشعر الموضع للمحرك، يتم استخدام طريقة التأريض أحادية النقطة لتقليل التداخل الناتج عن فرق الجهد الأرضي بشكل فعال.

ملاحظة: يجب أن تتبع أنظمة التأريض المختلفة بدقة مواصفات تصميم التوافق الكهرومغناطيسي لتجنب التداخل المتبادل. على سبيل المثال، في المعدات الطبية، يجب أن يستخدم التأريض الحالي القوي والتأريض الحالي الضعيف جذوع تأريض مستقلة، ويجب إجراء اتصالات متساوية الجهد في ناقل التأريض لمنع تداخل التيار القوي من دخول دائرة التيار الضعيف من خلال نظام التأريض. وفي الوقت نفسه، وفقًا للمعايير ذات الصلة (مثل GB 50169-2016 'إنشاء جهاز التأريض الهندسي للتركيبات الكهربائية ومواصفات القبول')، يتم اختبار موثوقية اتصال التأريض بانتظام لضمان الحفاظ على مقاومة التأريض دائمًا ضمن النطاق المحدد.

3. التكوين المعقول للمرشحات

المبدأ: يشمل التداخل الذي يتم إجراؤه على خط الطاقة بشكل أساسي تداخل الوضع الشائع وتداخل الوضع التفاضلي. يستخدم مغو الوضع المشترك هيكله الخاص من ملف متوازي بسلكين لجعل التدفق المغناطيسي الناتج عن تيار الوضع المشترك في الملفين يتراكب مع بعضهما البعض، وبالتالي تقديم خاصية مقاومة عالية لتيار الوضع المشترك وقمع تداخل الوضع المشترك بشكل فعال؛ يتمتع مكثف الوضع التفاضلي بخاصية مقاومة منخفضة لتيار الوضع التفاضلي استنادًا إلى خاصية المفاعلة السعوية للمكثف (X_C = rac{1}{2pi fC})، ويمكنه تجاوز إشارة تداخل الوضع التفاضلي عالية التردد. يعتمد مرشح التردد المنخفض على خط نقل الإشارة على خصائص استجابة التردد لدائرة LC. من خلال الاختيار المعقول لمعلمات المحث والمكثف، فإنه يسمح بمرور إشارات التردد المنخفض ويخفف بشكل فعال إشارات التداخل عالية التردد.

عملية محددة: عند طرف إدخال الطاقة، وفقًا لنطاق تردد الجهد والتيار والتداخل لمصدر الطاقة، استخدم برنامج تحليل الدوائر (مثل PSpice) لإجراء حساب دقيق، وحدد مغو الوضع المشترك ومكثف الوضع التفاضلي مع المعلمات المناسبة لتشكيل مرشح. على سبيل المثال، بالنسبة لمصدر طاقة دخل تيار متردد 220 فولت و50 هرتز، يمكن اختيار محاثة مغو الوضع المشترك على أنها 5mH، ويمكن تحديد سعة مكثف الوضع التفاضلي على أنها 0.47μF. في مصدر طاقة محرك BLDC لمكيف الهواء المنزلي، بعد استخدام المرشح مع هذه المعلمة، يتم تقليل التداخل الموصل على خط الطاقة بشكل كبير، مما يلبي معايير التوافق الكهرومغناطيسي ذات الصلة. على خط نقل الإشارة، وفقًا لتردد الإشارة وعرض النطاق الترددي لها، يتم استخدام نظرية تصميم المرشح لتصميم مرشح تمرير منخفض بتردد قطع مناسب. على سبيل المثال، بالنسبة لخط نقل الإشارة بسرعة 1 ميجاهرتز، يتم ضبط تردد القطع لمرشح التردد المنخفض على 5 ميجاهرتز عن طريق الحساب، مما يؤدي بشكل فعال إلى تصفية إشارات التداخل عالية التردد.

ملاحظة: يجب أن يتطابق اختيار المعلمة للمرشح بدقة مع خصائص المقاومة والتردد الفعلية للدائرة، وإلا فقد لا يتم تحقيق تأثير الترشيح المتوقع. وفي الوقت نفسه، يعد موضع تثبيت المرشح أمرًا بالغ الأهمية. من الضروري اتباع مبدأ أقصر مسار لانتشار التداخل الكهرومغناطيسي، ومحاولة الاقتراب من مصدر التداخل والدائرة المحمية، وتقليل اقتران إشارة التداخل أثناء عملية الإرسال.

المبدأ: وفقًا لصيغة عزم الدوران الكهرومغناطيسي للمحرك T = K_tI (حيث K_t هو ثابت عزم الدوران وI هو التيار)، سيؤثر التردد ودورة التشغيل لإشارة PWM بشكل مباشر على معدل تغير التيار والجهد للمحرك، وبالتالي توليد تداخل كهرومغناطيسي بدرجات متفاوتة. عندما يتردد تردد PWM مع التردد الطبيعي أو التردد الحساس للدوائر الأخرى، فإن شدة التداخل ستزداد بشكل كبير وفقًا لنظرية الاهتزاز. تقدم تقنية Random PWM تسلسلًا شبه عشوائي لتعطيل التردد الثابت لإشارة PWM، بحيث يتم توزيع طاقة التداخل بالتساوي في نطاق تردد أوسع. وفقا لنظرية كثافة طيف القدرة، فإنه يقلل بشكل فعال من شدة التداخل عند تردد معين.

عملية محددة: عند تصميم خوارزمية التحكم PWM، استخدم أدوات تحليل الطيف (مثل محلل FFT) لإجراء تحليل شامل لترددات التشغيل للدوائر الأخرى في النظام لتحديد نطاق تردد PWM معقول لتجنب التداخل مع الترددات الحساسة. بالنسبة لتقنية PWM العشوائية، يتم استخدام مولد أرقام عشوائي زائف يعتمد على سجل تحول التغذية المرتدة الخطية (LFSR) لإنشاء إشارة تحكم متغيرة التردد، بحيث يتقلب تردد إشارة PWM بشكل عشوائي ضمن نطاق التردد المحدد، ويمكن ضبط نطاق التقلب بشكل عام على ±15%. في نظام التحكم في المحرك BLDC للسيارة الكهربائية، تم تقليل شدة التداخل الكهرومغناطيسي بأكثر من 10 ديسيبل بعد استخدام تقنية PWM العشوائية، مما أدى إلى تحسين التوافق الكهرومغناطيسي للنظام بشكل فعال.

ملحوظة: عند استخدام تقنية PWM العشوائية، يجب مراعاة تأثيرها على أداء تشغيل المحرك بشكل كامل. بسبب التغيير العشوائي للتردد، قد يزيد نبض عزم دوران المحرك. وفقًا لمبدأ ديناميكيات المحرك، يجب مراقبة حالة تشغيل المحرك وتعديلها في الوقت الفعلي. يمكن استخدام التحكم في الحلقة المغلقة الحالية والتحكم في السرعة في الحلقة المغلقة وغيرها من الاستراتيجيات لضمان التشغيل المستقر للمحرك.

2. تنفيذ إستراتيجيات البداية الناعمة والتوقف الناعم

المبدأ: في لحظة بدء تشغيل المحرك وإيقافه، بسبب التغير الحاد في التيار، وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي، سيتم توليد تداخل كهرومغناطيسي قوي. تتحكم إستراتيجيات البداية الناعمة والتوقف الناعم في معدل تغيير دورة التشغيل لإشارة PWM بحيث يتغير التيار والجهد للمحرك تدريجيًا وفقًا لعلاقة وظيفية محددة مسبقًا، وبالتالي تقليل التداخل الكهرومغناطيسي بشكل فعال. على سبيل المثال، استخدام دالة أسية للتحكم في تغيير دورة العمل يمكن أن يجعل تغيير التيار والجهد أكثر سلاسة.

عملية محددة: في مرحلة بدء التشغيل، وفقًا لخصائص تحميل المحرك ومتطلبات النظام، قم بتعيين وقت بدء تشغيل مناسب، مثل 1 ثانية. خلال هذه الفترة، يتم زيادة دورة تشغيل إشارة PWM تدريجيًا من خلال وظيفة الارتفاع الأسي لجعل جهد محرك المحرك يرتفع بشكل مطرد. في مرحلة التوقف، يتم أيضًا ضبط وقت التوقف، مثل 1.5 ثانية، ويتم تقليل دورة تشغيل إشارة PWM تدريجيًا من خلال وظيفة متناقصة بشكل كبير لتحقيق توقف بطيء للمحرك. في نظام تشغيل المحرك BLDC للمصعد، بعد اعتماد إستراتيجيات البدء الناعم والتوقف الناعم، يتم تقليل التداخل الكهرومغناطيسي بشكل كبير، ويتم تحسين سلاسة تشغيل المصعد.

ملحوظة: يجب ضبط وقت التشغيل الناعم والتوقف الناعم بدقة وفقًا لخصائص حمل المحرك وسيناريو التطبيق الفعلي. إذا كان الوقت قصيرًا جدًا، فلا يمكن قمع التداخل الكهرومغناطيسي بشكل فعال؛ إذا كان الوقت طويلاً جدًا، فسيؤثر ذلك على كفاءة العمل وسرعة استجابة المحرك. يمكن تحديد المعلمات الزمنية المثلى من خلال الاختبار التجريبي وتحليل المحاكاة.