Μέθοδος σχεδιασμού και υλοποίησης EMC του κινητήρα BLDC

Αρχή: Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell, οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές διαδίδονται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, τα οποία περιέχουν εναλλασσόμενα συστατικά ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Τα μέταλλα έχουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και μαγνητική διαπερατότητα. Όταν η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή συμβεί στο στρώμα θωράκισης μετάλλων, σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το ηλεκτρικό πεδίο θα οδηγήσει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο μέταλλο για να μετακινηθούν με κατευθυντικό τρόπο, δημιουργώντας έτσι ένα επαγόμενο ρεύμα. Σύμφωνα με τον νόμο του Lenz, το μαγνητικό πεδίο που διεγείρεται από το επαγόμενο ρεύμα είναι αντίθετο με το μαγνητικό πεδίο παρεμβολής και οι δύο επικαλύπτονται ο ένας στον άλλο για να αντισταθμίσουν αποτελεσματικά μέρος του μαγνητικού πεδίου παρεμβολής. Ταυτόχρονα, σύμφωνα με τις οριακές συνθήκες του ηλεκτρικού πεδίου, το στρώμα θωράκισης μετάλλων μπορεί να κόψει τη διαδρομή διάδοσης του ηλεκτρικού πεδίου, επιτυγχάνοντας έτσι ένα φαινόμενο θωράκισης.

Ειδική λειτουργία: Στη διαδικασία κατασκευής του κινητήρα, με βάση τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του υλικού, τα κράματα αλουμινίου (των οποίων η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι περίπου 3,5 × 10 ⁷ s/m και η σχετική μαγνητική διαπερατότητα είναι κοντά στο 1) και τα κράματα σιδήρου-νίκης (με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, όπως η προερχόμενη, η οποία μπορεί να φτάσει σε 10 ⁵ σε ένα αδύναμο μαγνητικό πεδίο). Και να υιοθετήσουν την προηγμένη τεχνολογία σφράγισης, όπως η συγκόλληση με λέιζερ, το σφραγιστικό μετάλλων κ.λπ., για να ελαχιστοποιηθούν τα κενά και οι τρύπες στο κέλυφος για να αποφευχθεί η διαρροή ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής. Πάρτε τον κινητήρα BLDC σε έναν εξοπλισμό βιομηχανικού αυτοματισμού ως παράδειγμα. Χρησιμοποιεί ένα κέλυφος κράματος αλουμινίου. Μέσω της ακριβούς τεχνολογίας επεξεργασίας CNC, το κενό στην άρθρωση του κελύφους είναι μικρότερο από 0,1mm, γεγονός που μειώνει αποτελεσματικά την ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για το κύκλωμα κίνησης, ανάλογα με το μέγεθος της πλακέτας κυκλώματος και την ένταση της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, επιλέγεται ένα κάλυμμα θωράκισης μετάλλου με κατάλληλο πάχος, όπως το κάλυμμα θωράκισης χαλκού και το πάχος 0,5-1mm και το μεταλλικό σάλπι είναι συγκολλημένο από την τεχνολογία επιφάνειας (SMT) για να εξασφαλιστεί ότι η ηλεκτρική σύνδεση χαμηλής προστασίας μεταξύ της θωράκισης και του κυκλώματος.

Σημείωση: Στη διαδικασία σχεδιασμού θωράκισης, οι κατευθυντήριες γραμμές σχεδιασμού ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας πρέπει να ακολουθούνται αυστηρά για να αποφευχθεί ο σχηματισμός νέων πηγών παρεμβολής μεταξύ διαφορετικών στρώσεων θωράκισης. Για παράδειγμα, στα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοκινήτων, το κάλυμμα του κινητήρα και το κάλυμμα θωράκισης κυκλώματος κίνησης πρέπει να είναι συνδυασμένα με πυκνωτές και συσκευές απομόνωσης, όπως τα optocouplers, χρησιμοποιούνται για την ηλεκτρική απομόνωση για την αποφυγή νέων ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών που προκαλούνται από το ρεύμα που παράγεται από τη δυναμική διαφορά. Επιπλέον, η γείωση του στρώματος θωράκισης είναι πολύ σημαντική. Σύμφωνα με τη θεωρία της γείωσης, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι η αντίσταση γείωσης είναι μικρότερη από 0,1Ω για την επίτευξη αποτελεσματικής ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης.

2. Προσεκτική κατασκευή του συστήματος γείωσης

Αρχή: Σύμφωνα με τον νόμο του Ohm και τον νόμο του Kirchhoff, ο βασικός σκοπός της γείωσης είναι να παράσχει μια διαδρομή επιστροφής χαμηλής εμφάνισης για το ρεύμα, έτσι ώστε το μεταλλικό κέλυφος του εξοπλισμού να είναι στο ίδιο δυναμικό με τη γη. Αυτό μπορεί όχι μόνο να αποφύγει την υψηλή τάση που προκαλείται από τη στατική συσσώρευση ηλεκτρικής ενέργειας και την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή από την πρόκληση βλάβης στον εξοπλισμό και το προσωπικό, αλλά και να καταστέλλει αποτελεσματικά την ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Όταν η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή εμφανίζεται στον εξοπλισμό, το σύστημα γείωσης μπορεί γρήγορα να εισαγάγει το επαγόμενο ρεύμα στη γη, μειώνοντας έτσι την επαγόμενη ηλεκτρομαγνητική δύναμη στον εξοπλισμό.

Ειδική λειτουργία: Το μεταλλικό κέλυφος του κινητήρα συνδέεται με τη γη μέσω ενός ειδικού σύρματος γείωσης. Σύμφωνα με το πρότυπο υπολογισμού των καλωδίων και των καλωδίων της τρέχουσας χωρητικότητας, η περιοχή διατομής του καλωδίου γείωσης πρέπει να υπολογίζεται και να επιλεγεί σύμφωνα με την ονομαστική ισχύ του κινητήρα και το μέγιστο ρεύμα βραχυκυκλώματος που μπορεί να δημιουργηθεί για να εξασφαλιστεί επαρκής ισχύς ρεύματος. Σε έναν βιομηχανικό κινητήρα BLDC 5kW, επιλέγεται ένα καλώδιο γείωσης χαλκού με επιφάνεια διατομής 6mm² μετά τον υπολογισμό για να ικανοποιήσει τις τρέχουσες απαιτήσεις μεταφοράς υπό ρεύμα βραχυκυκλώματος. Στο κύκλωμα μονάδας δίσκου, όταν χρησιμοποιείται μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος πολλαπλών επιπέδων (PCB), ένα στρώμα ορίζεται ειδικά ως επίπεδο εδάφους και το επαγγελματικό λογισμικό σχεδιασμού PCB (όπως ο σχεδιαστής Altium) χρησιμοποιείται για την εύλογη διάταξη των κτιρίων γείωσης για να εξασφαλιστεί ότι οι ακροδέκτες γείωσης κάθε συστατικού μπορεί να συνδεθούν με το επίπεδο του εδάφους κοντά. Για ορισμένα βασικά τμήματα αναλογικού κυκλώματος, όπως το κύκλωμα επεξεργασίας σήματος αισθητήρα θέσης του κινητήρα, χρησιμοποιείται μια μέθοδος γείωσης ενός σημείου για την αποτελεσματική μείωση της παρεμβολής που προκαλείται από τη διαφορά δυναμικού εδάφους.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Τα διαφορετικά συστήματα γείωσης πρέπει να ακολουθούν αυστηρά τις προδιαγραφές σχεδιασμού ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας για να αποφευχθούν οι αμοιβαίες παρεμβολές. Για παράδειγμα, στον ιατρικό εξοπλισμό, η ισχυρή ρεύμα γείωση και η αδύναμη ρεύμα γείωση πρέπει να χρησιμοποιούν ανεξάρτητους κορμούς γείωσης και πρέπει να γίνονται ισοδύναμες συνδέσεις στο δίαυλο γείωσης για να αποφευχθεί η είσοδος ισχυρής παρεμβολής από την είσοδο στο κύκλωμα του ασθενούς ρεύματος μέσω του συστήματος γείωσης. Ταυτόχρονα, σύμφωνα με τα σχετικά πρότυπα (όπως η GB 50169-2016 'Ηλεκτρική εγκατάσταση μηχανικής κατασκευής γείωσης και προδιαγραφές αποδοχής '), η αξιοπιστία της σύνδεσης γείωσης δοκιμάζεται τακτικά για να διασφαλιστεί ότι η αντίσταση γείωσης διατηρείται πάντοτε εντός του συγκεκριμένου εύρους.

3. Λογική διαμόρφωση φίλτρων

Αρχή: Η διεξαγωγή παρεμβολής στη γραμμή ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει κυρίως παρεμβολές κοινής λειτουργίας και παρεμβολή διαφορικής λειτουργίας. Ο επαγωγέας κοινής λειτουργίας χρησιμοποιεί την ειδική δομή της παράλληλης περιέλιξης δύο συρμάτων για να κάνει τη μαγνητική ροή που παράγεται από το ρεύμα κοινής λειτουργίας στις δύο περιελίξεις να υπερβαίνουν το ένα το άλλο, παρουσιάζοντας έτσι ένα χαρακτηριστικό υψηλής αντίστασης στο ρεύμα κοινής λειτουργίας και καταστέλλει αποτελεσματικά την παρεμβολή κοινής λειτουργίας. Ο πυκνωτής διαφορικής λειτουργίας έχει χαρακτηριστικό χαμηλής σύνθετης αντίστασης στο ρεύμα διαφορικής λειτουργίας με βάση το χαρακτηριστικό της χωρητικής αντίδρασης του πυκνωτή (x_c = frac {1} {2 pi fc}) και μπορεί να παρακάμψει το σήμα παρεμβολής διαφορικής λειτουργίας υψηλής συχνότητας. Το φίλτρο χαμηλής διέλευσης στη γραμμή μετάδοσης σήματος βασίζεται στα χαρακτηριστικά απόκρισης συχνότητας του κυκλώματος LC. Επιλέγοντας εύλογα τις παραμέτρους του επαγωγέα και του πυκνωτή, επιτρέπει στα σήματα χαμηλής συχνότητας να διέρχονται και να εξασθενίζουν αποτελεσματικά τα σήματα παρεμβολής υψηλής συχνότητας.

Ειδική λειτουργία: Στο άκρο εισόδου τροφοδοσίας, σύμφωνα με το εύρος συχνοτήτων τάσης, ρεύματος και παρεμβολής της τροφοδοσίας ρεύματος, χρησιμοποιήστε λογισμικό ανάλυσης κυκλώματος (όπως PSPICE) για ακριβή υπολογισμό και επιλέξτε τον πυκνωτή επαγωγέα κοινής λειτουργίας και διαφορικού τρόπου με τις κατάλληλες παραμέτρους για να σχηματίσετε ένα φίλτρο. Για παράδειγμα, για τροφοδοσία εισόδου AC 220V, 50Hz, η επαγωγή του επαγωγέα κοινής λειτουργίας μπορεί να επιλεγεί ως 5MH και η ικανότητα του πυκνωτή διαφορικής λειτουργίας μπορεί να επιλεγεί ως 0,47μF. Στην τροφοδοσία κινητικής κίνησης BLDC ενός κλιματιστικού οικιακού κλιματιστικού, αφού χρησιμοποιήθηκε το φίλτρο με αυτήν την παράμετρο, η διεξαγωγή παρεμβολής στη γραμμή ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται σημαντικά, ικανοποιώντας τα σχετικά πρότυπα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας. Στη γραμμή μετάδοσης σήματος, σύμφωνα με τη συχνότητα και το εύρος ζώνης του σήματος, η θεωρία σχεδιασμού φίλτρου χρησιμοποιείται για να σχεδιάσει ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης με κατάλληλη συχνότητα αποκοπής. Για παράδειγμα, για μια γραμμή μετάδοσης σήματος 1MHz, η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου χαμηλής διέλευσης ρυθμίζεται σε 5MHz με υπολογισμό, η οποία φιλτράρει αποτελεσματικά σήματα παρεμβολής υψηλής συχνότητας.

Σημείωση: Η επιλογή παραμέτρων του φίλτρου πρέπει να ταιριάζει με ακρίβεια με τα πραγματικά χαρακτηριστικά σύνθετης αντίστασης και συχνότητας του κυκλώματος, διαφορετικά το αναμενόμενο φαινόμενο φιλτραρίσματος μπορεί να μην επιτευχθεί. Ταυτόχρονα, η θέση εγκατάστασης του φίλτρου είναι κρίσιμη. Είναι απαραίτητο να ακολουθήσετε την αρχή της συντομότερης διαδρομής διάδοσης ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, να προσπαθήσετε να είστε κοντά στην πηγή παρεμβολής και στο προστατευμένο κύκλωμα και να μειώσετε τη σύζευξη του σήματος παρεμβολής κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μετάδοσης.

Αρχή: Σύμφωνα με τον τύπο ηλεκτρομαγνητικής ροπής του κινητήρα t = k_ti (όπου το K_T είναι η σταθερά ροπής και το i είναι το ρεύμα), ο κύκλος συχνότητας και λειτουργίας του σήματος PWM θα επηρεάσει άμεσα το ρυθμό αλλαγής ρεύματος και τάσης του κινητήρα, δημιουργώντας έτσι ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή των μεταβλητών βαθμών. Όταν η συχνότητα PWM αντηχεί με τη φυσική συχνότητα ή την ευαίσθητη συχνότητα άλλων κυκλωμάτων, η ένταση παρεμβολής θα αυξηθεί εκθετικά σύμφωνα με τη θεωρία των κραδασμών. Η τυχαία τεχνολογία PWM εισάγει μια ψευδο τυχαία ακολουθία για να διαταράξει τη σταθερή συχνότητα του σήματος PWM, έτσι ώστε η ενέργεια παρεμβολής να κατανέμεται ομοιόμορφα σε ευρύτερο εύρος συχνοτήτων. Σύμφωνα με τη θεωρία της πυκνότητας του φάσματος ισχύος, μειώνει αποτελεσματικά την ένταση παρεμβολής σε μια συγκεκριμένη συχνότητα.

Ειδική λειτουργία: Κατά το σχεδιασμό του αλγόριθμου ελέγχου PWM, χρησιμοποιήστε εργαλεία ανάλυσης φάσματος (όπως αναλυτή FFT) για να αναλύσετε διεξοδικά τις συχνότητες λειτουργίας άλλων κυκλωμάτων στο σύστημα για να προσδιορίσετε ένα εύλογο εύρος συχνοτήτων PWM για να αποφευχθεί η επικάλυψη με ευαίσθητες συχνότητες. Για την τυχαία τεχνολογία PWM, μια γεννήτρια ψευδο-τυχαίου αριθμού που βασίζεται σε ένα γραμμικό μητρώο μετατόπισης ανάδρασης (LFSR) χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός σήματος ελέγχου συχνότητας, έτσι ώστε η συχνότητα του σήματος PWM να κυμαίνεται τυχαία εντός του καθορισμένου εύρους συχνότητας και το εύρος διακύμανσης μπορεί γενικά να ρυθμιστεί σε ± 15%. Στο σύστημα ελέγχου κινητήρα BLDC ενός ηλεκτρικού οχήματος, η ένταση ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής μειώθηκε κατά περισσότερο από 10dB μετά τη χρήση τυχαίας τεχνολογίας PWM, βελτιώνοντας αποτελεσματικά την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα του συστήματος.

Σημείωση: Όταν χρησιμοποιείτε την τυχαία τεχνολογία PWM, ο αντίκτυπός της στη λειτουργική απόδοση του κινητήρα πρέπει να εξεταστεί πλήρως. Λόγω της τυχαίας μεταβολής της συχνότητας, η παλμός ροπής του κινητήρα μπορεί να αυξηθεί. Σύμφωνα με την αρχή της δυναμικής του κινητήρα, η κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα πρέπει να παρακολουθείται και να ρυθμίζεται σε πραγματικό χρόνο. Ο τρέχων έλεγχος κλειστού βρόχου, ο έλεγχος του κλειστού βρόχου ταχύτητας και άλλες στρατηγικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξασφαλιστεί η σταθερή λειτουργία του κινητήρα.

2. Εφαρμογή στρατηγικών μαλακής εκκίνησης και μαλακής στάσης

Αρχή: Τη στιγμή της εκκίνησης και της διακοπής του κινητήρα, λόγω της απότομης αλλαγής του ρεύματος, σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, θα δημιουργηθεί ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι στρατηγικές μαλακής εκκίνησης και μαλακής στάσης ελέγχουν τον ρυθμό αλλαγής του κύκλου λειτουργίας του σήματος PWM, έτσι ώστε το ρεύμα και η τάση του κινητήρα να μεταβάλλονται σταδιακά σύμφωνα με μια προκαθορισμένη λειτουργική σχέση, μειώνοντας έτσι αποτελεσματικά την ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή. Για παράδειγμα, η χρήση μιας εκθετικής συνάρτησης για τον έλεγχο της αλλαγής του κύκλου λειτουργίας μπορεί να κάνει την αλλαγή του ρεύματος και της τάσης πιο ομαλό.

Ειδική λειτουργία: Στη φάση εκκίνησης, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά φορτίου του κινητήρα και των απαιτήσεων του συστήματος, ορίστε έναν κατάλληλο χρόνο εκκίνησης, όπως το 1s. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο κύκλος λειτουργίας του σήματος PWM αυξάνεται σταδιακά μέσω μιας εκθετικής αύξησης για να γίνει η τάση κίνησης του κινητήρα να αυξάνεται σταθερά. Στο στάδιο της διακοπής, ο χρόνος στάσης είναι επίσης ρυθμισμένος, όπως 1,5S και ο κύκλος λειτουργίας του σήματος PWM μειώνεται σταδιακά μέσω μιας εκθετικά μείωσης της λειτουργίας για να επιτευχθεί μια αργή στάση του κινητήρα. Στο σύστημα κίνησης κινητήρα BLDC ενός ανελκυστήρα, αφού υιοθετεί τις στρατηγικές μαλακής εκκίνησης και μαλακής στάσης, η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή μειώνεται σημαντικά και βελτιώνεται η ομαλότητα της λειτουργίας του ανελκυστήρα.

Σημείωση: Η ρύθμιση χρόνου της μαλακής εκκίνησης και της μαλακής στάσης πρέπει να ρυθμιστεί με ακρίβεια σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά φορτίου του κινητήρα και το πραγματικό σενάριο εφαρμογής. Εάν ο χρόνος είναι πολύ μικρός, η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή δεν μπορεί να κατασταλεί αποτελεσματικά. Εάν ο χρόνος είναι πολύ μεγάλος, θα επηρεάσει την απόδοση εργασίας και την ταχύτητα απόκρισης του κινητήρα. Οι βέλτιστες παράμετροι χρόνου μπορούν να προσδιοριστούν μέσω πειραματικών δοκιμών και ανάλυσης προσομοίωσης.