طراحی و روش اجرای EMC موتور BLDC

اصل: طبق معادلات ماکسول ، تداخل الکترومغناطیسی به شکل امواج الکترومغناطیسی ، که حاوی اجزای میدان الکتریکی و مغناطیسی متناوب هستند ، پخش می شود. فلزات دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذپذیری مغناطیسی هستند. هنگامی که تداخل الکترومغناطیسی در لایه محافظ فلزی حادثه است ، طبق قانون القاء الکترومغناطیسی ، میدان الکتریکی الکترونهای آزاد را در فلز سوق می دهد تا به روشی جهت دار حرکت کنند و از این طریق جریان القایی ایجاد می کنند. طبق قانون لنز ، میدان مغناطیسی که از جریان ناشی از آن هیجان زده است بر خلاف میدان مغناطیسی تداخل حادثه است و این دو بر روی یکدیگر قرار گرفته اند تا به طور مؤثر بخشی از میدان مغناطیسی تداخل را جبران کنند. در عین حال ، با توجه به شرایط مرزی میدان الکتریکی ، لایه محافظ فلزی می تواند مسیر انتشار میدان الکتریکی را قطع کند و از این طریق به یک اثر محافظ برسد.

عملکرد خاص: در فرآیند تولید موتور ، بر اساس خواص الکترومغناطیسی مواد ، آلیاژهای آلومینیومی (هدایت الکتریکی آنها در حدود 10 × 10 سانتی متر در ثانیه و نفوذپذیری مغناطیسی نسبی نزدیک به 1 است) و آلیاژهای آهن-نیکل (با نفوذپذیری مغناطیسی بالا ، مانند نفوذپذیری ، که می تواند به 10 درجه در یک میدان مغناطیسی ضعیف برسد) ترجیح می دهند که در یک میدان مغناطیسی به 10⁵ برسد) و برای به حداقل رساندن شکاف ها و سوراخ های موجود در پوسته ، از فناوری آب بندی پیشرفته مانند جوشکاری لیزر ، درزگیر فلزی و غیره استفاده کنید تا از نشت تداخل الکترومغناطیسی جلوگیری شود. به عنوان نمونه موتور BLDC را در تجهیزات اتوماسیون صنعتی بگیرید. از پوسته آلیاژ آلومینیومی استفاده می کند. از طریق فناوری پردازش دقیق CNC ، شکاف در مفصل پوسته کمتر از 0.1 میلی متر است که به طور موثری شدت تابش الکترومغناطیسی را کاهش می دهد. برای مدار درایو ، با توجه به اندازه برد مدار و شدت تداخل الکترومغناطیسی ، یک پوشش محافظ فلزی با ضخامت مناسب انتخاب شده است ، مانند یک پوشش محافظ مس با ضخامت 0.5-1 میلی متر ، و درختچه فلزی با استفاده از فناوری سطح سطح (SMT) جوش داده می شود تا اطمینان حاصل شود که یک اتصال کم مصرف در بین پوشش مدار و سیم که در بین پوشش مدار ایجاد شده است.

توجه: در فرآیند طراحی محافظ ، دستورالعمل های طراحی سازگاری الکترومغناطیسی باید به شدت رعایت شود تا از تشکیل منابع تداخل جدید بین لایه های محافظ مختلف جلوگیری شود. به عنوان مثال ، در سیستم های الکترونیکی خودرو ، مسکن موتور و پوشش محافظ مدار درایو باید از طریق خازن ها AC همراه باشد و از دستگاه های جداسازی مانند Optocouplers برای جداسازی الکتریکی استفاده می شود تا از تداخل الکترومغناطیسی جدید ناشی از جریان ایجاد شده توسط تفاوت بالقوه جلوگیری شود. علاوه بر این ، پایه لایه محافظ بسیار مهم است. طبق نظریه زمینی ، لازم است اطمینان حاصل شود که مقاومت زمینی برای دستیابی به محافظ الکترومغناطیسی کارآمد کمتر از 0.1 گرم است.

2. ساخت دقیق سیستم زمینی

اصل: طبق قانون اوم و قانون كیرچوف ، هدف اصلی پایه گذاری فراهم كردن مسیر بازگشت با امكاسیون كم برای جریان است ، به طوری كه پوسته فلزی تجهیزات در همان پتانسیل زمین قرار دارد. این نه تنها می تواند از ولتاژ بالا ناشی از تجمع برق استاتیک و القاء الکترومغناطیسی در ایجاد آسیب به تجهیزات و پرسنل جلوگیری کند ، بلکه به طور موثری تداخل الکترومغناطیسی را بر اساس اصل القاء الکترومغناطیسی سرکوب می کند. هنگامی که القاء الکترومغناطیسی در تجهیزات رخ می دهد ، سیستم زمینی می تواند به سرعت جریان ناشی از زمین را وارد زمین کند و از این طریق نیروی الکتروموتوری ناشی از تجهیزات را کاهش می دهد.

عملکرد خاص: پوسته فلزی موتور از طریق یک سیم زمینی اختصاصی به زمین وصل می شود. با توجه به استاندارد محاسبه ظرفیت فعلی سیمها و کابل ها ، سطح مقطع سیم زمینی باید با توجه به قدرت امتیاز موتور و حداکثر جریان اتصال کوتاه که ممکن است برای اطمینان از ظرفیت حمل جریان کافی ایجاد شود ، به طور دقیق محاسبه و انتخاب شود. در یک موتور BLDC صنعتی 5 کیلو وات ، یک سیم زمینی مس با یک سطح مقطعی 6 میلی متر مربع پس از محاسبه برای برآورده کردن نیازهای حمل فعلی تحت جریان اتصال کوتاه انتخاب می شود. در مدار درایو ، هنگامی که از یک صفحه مدار چاپی چند لایه (PCB) استفاده می شود ، یک لایه به طور خاص به عنوان هواپیمای زمین تعریف می شود و از نرم افزار طراحی PCB حرفه ای (مانند Altium Designer) استفاده می شود تا به طور منطقی ویاهای زمین را چیدمان کند تا اطمینان حاصل شود که می توان پین های زمینی هر مؤلفه را به صفحه زمین در نزدیکی وصل کرد. برای برخی از قطعات کلیدی مدار آنالوگ ، مانند مدار پردازش سیگنال سنسور موقعیت موتور ، از یک روش زمینی تک نقطه ای برای کاهش مؤثر تداخل ناشی از اختلاف پتانسیل زمین استفاده می شود.

توجه: سیستم های مختلف زمینی برای جلوگیری از تداخل متقابل باید به طور دقیق از مشخصات طراحی سازگاری الکترومغناطیسی پیروی کنند. به عنوان مثال ، در تجهیزات پزشکی ، زمینی قوی و زمینی ضعیف جریان باید از تنه های زمینی مستقل استفاده کند ، و باید اتصالات تجهیزات را در اتوبوس زمینی برقرار کرد تا از ورود تداخل جریان قوی به مدار جریان ضعیف از طریق سیستم زمینی جلوگیری شود. در همین زمان ، مطابق با استانداردهای مربوطه (مانند GB 50169-2016 'مشخصات مهندسی نصب برق ساخت و ساز و مشخصات پذیرش ') ، قابلیت اطمینان اتصال زمینی به طور مرتب مورد آزمایش قرار می گیرد تا اطمینان حاصل شود که همیشه مقاومت در برابر زمین در محدوده مشخص است.

3. پیکربندی معقول فیلترها

اصل: تداخل انجام شده در خط برق عمدتا شامل تداخل حالت مشترک و تداخل حالت دیفرانسیل است. سلف حالت مشترک از ساختار ویژه سیم پیچ موازی دو سیم استفاده می کند تا شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان حالت مشترک در دو سیم پیچ را به یکدیگر منتقل کند و از این طریق یک ویژگی امپدانس بالایی را برای جریان حالت مشترک ارائه می دهد و به طور مؤثر سرکوب تداخل حالت مشترک است. خازن حالت دیفرانسیل دارای ویژگی امپدانس کم برای جریان حالت دیفرانسیل بر اساس ویژگی واکنش خازنی خازن (x_c = frac {1} {2 pi fc}) است و می تواند سیگنال مداخله ای با فرکانس بالا را دور بزند. فیلتر کم گذر در خط انتقال سیگنال بر اساس ویژگی های پاسخ فرکانس مدار LC است. با انتخاب منطقی پارامترهای سلف و خازن ، به سیگنال های با فرکانس پایین اجازه می دهد تا از طریق آن عبور کنند و به طور مؤثر سیگنال های تداخل با فرکانس بالا را کاهش دهند.

عملکرد خاص: در انتهای ورودی برق ، با توجه به ولتاژ ، دامنه فرکانس جریان و تداخل منبع تغذیه ، برای محاسبه دقیق از نرم افزار تجزیه و تحلیل مدار (مانند PSPICE) استفاده کنید و با پارامترهای مناسب ، سلف حالت مشترک و خازن حالت دیفرانسیل را انتخاب کنید تا یک فیلتر تشکیل شود. به عنوان مثال ، برای منبع تغذیه ورودی AC 220 ولت ، 50 هرتز ، القاء سلف حالت مشترک را می توان به عنوان 5MH انتخاب کرد و ظرفیت خازن حالت دیفرانسیل را می توان به عنوان 0.47μF انتخاب کرد. در منبع تغذیه درایو موتور BLDC از تهویه مطبوع خانگی ، پس از استفاده از فیلتر با این پارامتر ، تداخل انجام شده در خط برق بسیار کاهش می یابد و مطابق با استانداردهای سازگاری الکترومغناطیسی مربوطه است. در خط انتقال سیگنال ، با توجه به فرکانس و پهنای باند سیگنال ، از تئوری طراحی فیلتر برای طراحی یک فیلتر کم گذر با فرکانس برش مناسب استفاده می شود. به عنوان مثال ، برای یک خط انتقال سیگنال 1 مگاهرتز ، فرکانس برش فیلتر کم عبور با محاسبه روی 5 مگاهرتز تنظیم می شود ، که به طور موثری سیگنال های تداخل با فرکانس بالا را فیلتر می کند.

توجه: انتخاب پارامتر فیلتر باید به طور دقیق با امپدانس و ویژگی های فرکانس واقعی مدار مطابقت داشته باشد ، در غیر این صورت ممکن است اثر فیلتر مورد انتظار حاصل نشود. در عین حال ، موقعیت نصب فیلتر بسیار مهم است. لازم است که از اصل کوتاهترین مسیر انتشار تداخل الکترومغناطیسی پیروی کنید ، سعی کنید نزدیک به منبع تداخل و مدار محافظت شده باشید و اتصال سیگنال تداخل را در طی فرآیند انتقال کاهش دهید.

اصل: با توجه به فرمول گشتاور الکترومغناطیسی موتور T = K_TI (جایی که K_T ثابت گشتاور است و من جریان است) ، فرکانس و چرخه وظیفه سیگنال PWM به طور مستقیم بر میزان تغییر جریان و ولتاژ موتور تأثیر می گذارد و از این طریق تداخل الکترومغناطیسی درجه های مختلف ایجاد می کند. هنگامی که فرکانس PWM با فرکانس طبیعی یا فرکانس حساس مدارهای دیگر طنین انداز می شود ، شدت تداخل با توجه به تئوری لرزش به صورت نمایی افزایش می یابد. فناوری PWM تصادفی یک دنباله شبه تصادفی را برای مختل کردن فرکانس ثابت سیگنال PWM معرفی می کند ، به طوری که انرژی تداخل به طور مساوی در یک محدوده فرکانس وسیع تر توزیع می شود. با توجه به تئوری چگالی طیف قدرت ، به طور موثری شدت تداخل را در یک فرکانس خاص کاهش می دهد.

عملکرد خاص: هنگام طراحی الگوریتم کنترل PWM ، از ابزارهای تجزیه و تحلیل طیف (مانند آنالایزر FFT) استفاده کنید تا به طور جامع فرکانس های عملیاتی مدارهای دیگر در سیستم را تجزیه و تحلیل کنید تا یک محدوده فرکانس PWM معقول را تعیین کنید تا از همپوشانی با فرکانس های حساس جلوگیری شود. برای فناوری PWM تصادفی ، یک ژنراتور شماره شبه تصادفی مبتنی بر یک ثبت تغییر بازخورد خطی (LFSR) برای تولید یک سیگنال کنترل فرکانس استفاده می شود ، به طوری که فرکانس سیگنال PWM به طور تصادفی در محدوده فرکانس تعیین شده نوسان می کند ، و دامنه نوسان به طور کلی می تواند 15 ± تعیین شود. در سیستم کنترل موتور BLDC یک وسیله نقلیه الکتریکی ، شدت تداخل الکترومغناطیسی پس از استفاده از فناوری PWM تصادفی بیش از 10dB کاهش می یابد و به طور موثری سازگاری الکترومغناطیسی سیستم را بهبود می بخشد.

توجه: هنگام استفاده از فناوری PWM تصادفی ، باید تأثیر آن بر عملکرد عملیاتی موتور کاملاً در نظر گرفته شود. با توجه به تغییر تصادفی فرکانس ، پالس گشتاور موتور ممکن است افزایش یابد. طبق اصل دینامیک موتور ، وضعیت عملیاتی موتور باید در زمان واقعی کنترل و تنظیم شود. کنترل حلقه بسته فعلی ، کنترل حلقه بسته سرعت و سایر استراتژی ها می تواند برای اطمینان از عملکرد پایدار موتور استفاده شود.

2. اجرای استراتژی های شروع نرم و Soft Stop

اصل: در لحظه شروع و توقف حرکتی ، به دلیل تغییر شدید جریان ، طبق قانون القاء الکترومغناطیسی ، تداخل الکترومغناطیسی قوی ایجاد می شود. استراتژی های شروع نرم و Soft Stop ، میزان تغییر چرخه وظیفه سیگنال PWM را کنترل می کنند به طوری که جریان و ولتاژ موتور به تدریج با توجه به یک رابطه عملکردی از پیش تعیین شده تغییر می کند ، از این طریق به طور مؤثر باعث کاهش تداخل الکترومغناطیسی می شود. به عنوان مثال ، استفاده از یک عملکرد نمایی برای کنترل تغییر چرخه وظیفه می تواند تغییر جریان و ولتاژ را نرم تر کند.

عملکرد خاص: در مرحله راه اندازی ، با توجه به ویژگی های بار موتور و الزامات سیستم ، زمان راه اندازی مناسب مانند 1s را تعیین می کند. در این دوره ، چرخه وظیفه سیگنال PWM به تدریج از طریق یک عملکرد افزایش نمایی افزایش می یابد تا ولتاژ درایو موتور به طور پیوسته افزایش یابد. در مرحله توقف ، زمان توقف نیز تنظیم شده است ، مانند 1.5s ، و چرخه وظیفه سیگنال PWM به تدریج از طریق یک عملکرد کاهش دهنده نمایی کاهش می یابد تا به یک توقف آهسته موتور برسد. در سیستم درایو موتور BLDC یک آسانسور ، پس از اتخاذ استراتژی های شروع نرم و Soft Stop ، تداخل الکترومغناطیسی به طور قابل توجهی کاهش می یابد و صافی عملکرد آسانسور بهبود می یابد.

توجه: تنظیم زمان شروع نرم و Soft Stop باید با توجه به ویژگی های بار موتور و سناریوی کاربرد واقعی به طور دقیق تنظیم شود. اگر زمان خیلی کوتاه باشد ، تداخل الکترومغناطیسی نمی تواند به طور مؤثر سرکوب شود. اگر زمان خیلی طولانی باشد ، بر راندمان کار و سرعت پاسخ موتور تأثیر می گذارد. پارامترهای بهینه زمان را می توان از طریق آزمایش آزمایشی و تجزیه و تحلیل شبیه سازی تعیین کرد.