Método de diseño e implementación de EMC del motor BLDC

Principio: Según las ecuaciones de Maxwell, la interferencia electromagnética se propaga en forma de ondas electromagnéticas, que contienen componentes alternos de campo eléctrico y magnético. Los metales tienen alta conductividad eléctrica y permeabilidad magnética. Cuando la interferencia electromagnética se incide en la capa de blindaje de metal, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética, el campo eléctrico conducirá los electrones libres en el metal para moverse de manera direccional, generando así una corriente inducida. Según la ley de Lenz, el campo magnético excitado por la corriente inducida es opuesta al campo magnético de interferencia incidente, y los dos se superponen entre sí para compensar efectivamente la parte del campo magnético de interferencia; Al mismo tiempo, de acuerdo con las condiciones de contorno del campo eléctrico, la capa de blindaje de metal puede cortar la ruta de propagación del campo eléctrico, logrando así un efecto de blindaje.

Operación específica: en el proceso de fabricación del motor, basado en las propiedades electromagnéticas del material, las aleaciones de aluminio (cuya conductividad eléctrica es de aproximadamente 3.5 × 10⁷ S/M y la permeabilidad magnética relativa es cerca de 1) y las aleaciones de hierro-níquel (con alta permeabilidad magnética, como Permalloy, que puede alcanzar 10⁵ en un campo magnético preferido) son preferidos como materiales de vivienda de motor. Y adoptar tecnología de sellado avanzado, como soldadura por láser, sellador de metal, etc., para minimizar los espacios y agujeros en la carcasa para evitar la fuga de interferencia electromagnética. Tome el motor BLDC en un equipo de automatización industrial como ejemplo. Utiliza una carcasa de aleación de aluminio. A través de una tecnología de procesamiento CNC precisa, la brecha en la articulación de la carcasa es inferior a 0.1 mm, lo que reduce efectivamente la intensidad de la radiación electromagnética. Para el circuito de accionamiento, de acuerdo con el tamaño de la placa de circuito y la intensidad de la interferencia electromagnética, se selecciona una cubierta de blindaje de metal con un grosor apropiado, como una cubierta de protección de cobre con un grosor de 0.5-1 mm, y la metralla metálica está soldada por la tecnología de montaje de la superficie (SMT) para garantizar que se forme una conexión electrical baja entre la cubierta de protección y la placa de circuito y la placa de circuito.

Nota: En el proceso de diseño de blindaje, las pautas de diseño de compatibilidad electromagnética deben seguirse estrictamente para evitar la formación de nuevas fuentes de interferencia entre las diferentes capas de blindaje. Por ejemplo, en los sistemas electrónicos automotrices, la carcasa del motor y la cubierta de blindaje del circuito de accionamiento deben acoplarse a través de condensadores, y los dispositivos de aislamiento, como los optocopladores, se utilizan para el aislamiento eléctrico para evitar nuevas interferencias electromagnéticas causadas por la corriente generada por la diferencia potencial. Además, la conexión a tierra de la capa de blindaje es muy importante. Según la teoría de la conexión a tierra, es necesario asegurarse de que la resistencia a la conexión a tierra sea inferior a 0.1Ω para lograr un blindaje electromagnético eficiente.

2. Construcción cuidadosa del sistema de conexión a tierra

Principio: De acuerdo con la ley de Ohm y la ley de Kirchhoff, el propósito central de la base es proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia para la corriente, de modo que la cubierta metálica del equipo es del mismo potencial que la Tierra. Esto no solo puede evitar el alto voltaje causado por la acumulación de electricidad estática y la inducción electromagnética de causar daño al equipo y al personal, sino también suprimir efectivamente la interferencia electromagnética en función del principio de inducción electromagnética. Cuando se produce la inducción electromagnética en el equipo, el sistema de conexión a tierra puede introducir rápidamente la corriente inducida en la Tierra, reduciendo así la fuerza electromotriz inducida en el equipo.

Operación específica: la cubierta metálica del motor está conectada a la tierra a través de un cable de conexión a tierra dedicado. De acuerdo con el estándar de cálculo de la capacidad de carga actual de cables y cables, el área de sección transversal del cable de conexión a tierra debe calcularse y seleccionar con precisión de acuerdo con la potencia nominal del motor y la corriente de cortocircuito máxima que puede generarse para garantizar una capacidad de carga de corriente suficiente. En un motor de BLDC industrial de 5kW, se selecciona un cable de conexión a tierra de cobre con un área de sección transversal de 6 mm² después del cálculo para cumplir con los requisitos de transporte actuales bajo corriente de cortocircuito. En el circuito de accionamiento, cuando se usa una placa de circuito impreso de múltiples capas (PCB), una capa se define específicamente como el plano de tierra, y el software de diseño de PCB profesional (como el diseñador de Altium) se usa para diseñar razonablemente las vías de tierra para garantizar que los pasadores de tierra de cada componente puedan conectarse al plano de tierra cercano. Para algunas partes clave del circuito analógico, como el circuito de procesamiento de señal del sensor de posición del motor, se utiliza un método de conexión a tierra de un solo punto para reducir efectivamente la interferencia causada por la diferencia de potencial de tierra.

Nota: Los diferentes sistemas de conexión a tierra deben seguir estrictamente las especificaciones de diseño de compatibilidad electromagnética para evitar la interferencia mutua. Por ejemplo, en el equipo médico, la conexión a tierra de corriente fuerte y la conexión a tierra de corriente débil deben usar troncos de conexión a tierra independientes, y se deben hacer conexiones equipotenciales en el bus de conexión a tierra para evitar que la fuerte interferencia de corriente ingrese al circuito de corriente débil a través del sistema de conexión a tierra. Al mismo tiempo, de acuerdo con los estándares relevantes (como GB 50169-2016 'Ingeniería de instalación eléctrica La construcción de dispositivos de conexión a tierra y las especificaciones de aceptación '), la confiabilidad de la conexión a tierra se prueba regularmente para garantizar que la resistencia a la conexión a tierra siempre se mantenga dentro del rango específico.

3. Configuración razonable de filtros

Principio: La interferencia realizada en la línea de alimentación incluye principalmente interferencia de modo común e interferencia de modo diferencial. El inductor de modo común utiliza su estructura especial del devanado paralelo de dos hilos para hacer que el flujo magnético generado por la corriente de modo común en los dos devanados se superponga entre sí, presentando así una característica de alta impedancia a la corriente del modo común y suprimiendo de manera efectiva la interferencia del modo común; El condensador de modo diferencial tiene una característica de baja impedancia a la corriente de modo diferencial basada en la característica de reactancia capacitiva del condensador (x_c = frac {1} {2 pi fc}), y puede evitar la señal de interferencia de modificación diferencial de alta frecuencia. El filtro de paso bajo en la línea de transmisión de señal se basa en las características de respuesta de frecuencia del circuito LC. Al seleccionar razonablemente los parámetros del inductor y el condensador, permite que las señales de baja frecuencia pasen y atenúen efectivamente las señales de interferencia de alta frecuencia.

Operación específica: en el extremo de entrada de potencia, de acuerdo con el rango de frecuencia de voltaje, corriente y interferencia de la fuente de alimentación, utilice el software de análisis de circuitos (como PSPICE) para un cálculo preciso y seleccione el conductor de modo común y el condensador de modo diferencial con parámetros apropiados para formar un filtro. Por ejemplo, para una fuente de alimentación de entrada de AC de 220V, 50Hz, la inductancia del inductor de modo común se puede seleccionar como 5MH, y la capacidad del condensador de modo diferencial se puede seleccionar como 0.47 μF. En la fuente de alimentación de la unidad de motor BLDC de un aire acondicionado doméstico, después de usar el filtro con este parámetro, la interferencia realizada en la línea de alimentación se reduce considerablemente, cumpliendo con los estándares de compatibilidad electromagnéticos relevantes. En la línea de transmisión de la señal, de acuerdo con la frecuencia y el ancho de banda de la señal, la teoría del diseño del filtro se utiliza para diseñar un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte adecuada. Por ejemplo, para una línea de transmisión de señal de 1MHz, la frecuencia de corte del filtro de paso bajo se establece en 5MHz mediante cálculo, que efectivamente filtra señales de interferencia de alta frecuencia.

Nota: La selección de parámetros del filtro debe coincidir con precisión con las características de impedancia y frecuencia real del circuito, de lo contrario el efecto de filtrado esperado puede no ser logrado. Al mismo tiempo, la posición de instalación del filtro es crucial. Es necesario seguir el principio de la ruta de propagación de interferencia electromagnética más corta, intente estar cerca de la fuente de interferencia y el circuito protegido, y reducir el acoplamiento de la señal de interferencia durante el proceso de transmisión.

Principio: De acuerdo con la fórmula de par electromagnética del motor t = k_ti (donde k_t es la constante de torque e I es la corriente), la frecuencia y el ciclo de trabajo de la señal PWM afectarán directamente la tasa de cambio de corriente y voltaje del motor, generando así la interferencia electromagnética de los divisores. Cuando la frecuencia PWM resuena con la frecuencia natural o la frecuencia sensible de otros circuitos, la intensidad de interferencia aumentará exponencialmente de acuerdo con la teoría de la vibración. La tecnología PWM aleatoria introduce una secuencia pseudo-aleatorio para interrumpir la frecuencia fija de la señal PWM, de modo que la energía de interferencia se distribuye uniformemente en un rango de frecuencia más amplio. De acuerdo con la teoría de la densidad del espectro de potencia, reduce efectivamente la intensidad de interferencia a una frecuencia específica.

Operación específica: al diseñar el algoritmo de control PWM, use herramientas de análisis de espectro (como FFT Analyzer) para analizar de manera integral las frecuencias operativas de otros circuitos en el sistema para determinar un rango de frecuencia PWM razonable para evitar una superposición con frecuencias sensibles. Para la tecnología PWM aleatoria, se utiliza un generador de números pseudo-aleatorios basado en un registro de cambio de retroalimentación lineal (LFSR) para generar una señal de control variable de frecuencia, de modo que la frecuencia de la señal PWM fluctúa aleatoriamente dentro del rango de frecuencia establecido, y el rango de fluctuación generalmente se puede establecer en ± 15%. En el sistema de control motor BLDC de un vehículo eléctrico, la intensidad de interferencia electromagnética se redujo en más de 10dB después de que se utilizó la tecnología PWM aleatoria, mejorando efectivamente la compatibilidad electromagnética del sistema.

Nota: Cuando se utiliza la tecnología PWM aleatoria, su impacto en el rendimiento operativo del motor debe considerarse completamente. Debido al cambio aleatorio de frecuencia, la pulsación de torque del motor puede aumentar. Según el principio de la dinámica del motor, el estado operativo del motor debe ser monitoreado y ajustado en tiempo real. Control actual de circuito cerrado, control de velocidad de velocidad de velocidad y otras estrategias se pueden usar para garantizar el funcionamiento estable del motor.

2. Implementación de estrategias de inicio suave y parada suave

Principio: En el momento del arranque del motor y la parada, debido al cambio de corriente, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética, se generará una fuerte interferencia electromagnética. Las estrategias de arranque suave y de parada suave controlan la tasa de cambio del ciclo de trabajo de la señal PWM para que la corriente y el voltaje del motor cambien gradualmente de acuerdo con una relación funcional predeterminada, reduciendo así efectivamente la interferencia electromagnética. Por ejemplo, el uso de una función exponencial para controlar el cambio del ciclo de trabajo puede hacer que el cambio de corriente y voltaje sea más suave.

Operación específica: en la fase de inicio, de acuerdo con las características de carga del motor y los requisitos del sistema, establece un tiempo de inicio adecuado, como 1S. Durante este período, el ciclo de trabajo de la señal PWM aumenta gradualmente a través de una función creciente exponencial para hacer que el voltaje de accionamiento del motor aumente constantemente. En la etapa de detención, también se establece un tiempo de parada, como 1.5s, y el ciclo de trabajo de la señal PWM se reduce gradualmente a través de una función exponencialmente disminuida para lograr una parada lenta del motor. En el sistema de accionamiento motor BLDC de un elevador, después de adoptar las estrategias de arranque suave y parada blanda, la interferencia electromagnética se reduce significativamente y se mejora la suavidad de la operación del elevador.

Nota: La configuración de tiempo del arranque suave y la parada suave debe ajustarse con precisión de acuerdo con las características de carga del motor y el escenario de aplicación real. Si el tiempo es demasiado corto, la interferencia electromagnética no puede suprimirse de manera efectiva; Si el tiempo es demasiado largo, afectará la eficiencia de trabajo y la velocidad de respuesta del motor. Los parámetros de tiempo óptimos se pueden determinar mediante pruebas experimentales y análisis de simulación.