Méthode de conception et de mise en œuvre EMC du moteur BLDC

Principe: Selon les équations de Maxwell, l'interférence électromagnétique se propage sous la forme d'ondes électromagnétiques, qui contiennent des composants de champ électrique et magnétique alternatifs. Les métaux ont une conductivité électrique élevée et une perméabilité magnétique. Lorsque l'interférence électromagnétique est incidente sur la couche de blindage métallique, selon la loi de l'induction électromagnétique, le champ électrique entraînera les électrons libres dans le métal pour se déplacer de manière directionnelle, générant ainsi un courant induit. Selon la loi de Lenz, le champ magnétique excité par le courant induit est opposé au champ magnétique d'interférence incident, et les deux sont superposés les uns sur les autres pour compenser efficacement une partie du champ magnétique d'interférence; Dans le même temps, selon les conditions aux limites du champ électrique, la couche de blindage métallique peut couper le chemin de propagation du champ électrique, réalisant ainsi un effet de blindage.

Fonctionnement spécifique: Dans le processus de fabrication du moteur, basé sur les propriétés électromagnétiques du matériau, les alliages en aluminium (dont la conductivité électrique est d'environ 3,5 × 10⁷ s / m et la perméabilité magnétique relative est proche de 1) et les alliages de nickel de fer (avec une perméabilité magnétique élevée, comme le permalloy, qui peut atteindre 10⁵ dans un champ magnétique faible) sont préférés car les matériaux automobiles. Et adopter une technologie de scellement avancée, telle que le soudage au laser, le scellant métallique, etc., pour minimiser les lacunes et les trous dans la coquille pour éviter les fuites d'interférence électromagnétique. Prenez le moteur BLDC dans un équipement d'automatisation industrielle à titre d'exemple. Il utilise une coque en alliage en aluminium. Grâce à une technologie de traitement CNC précise, l'écart à l'articulation de la coquille est inférieur à 0,1 mm, ce qui réduit efficacement l'intensité du rayonnement électromagnétique. Pour le circuit d'entraînement, selon la taille de la carte de circuit imprimé et l'intensité de l'interférence électromagnétique, une couverture de blindage métallique avec une épaisseur appropriée est sélectionnée, comme une couverture de blindage en cuivre avec une épaisseur de 0,5 à 1 mm, et que les Shrapnel métallique sont soudés par la technologie de montage de surface (SMT) pour s'assurer qu'une connexion électrique à faible impédance est formée entre le couvercle de protection et la couverture circuit.

Remarque: Dans le processus de conception de blindage, les directives de conception de la compatibilité électromagnétique doivent être strictement suivies pour éviter la formation de nouvelles sources d'interférence entre différentes couches de blindage. Par exemple, dans les systèmes électroniques automobiles, le boîtier du moteur et le couvercle de blindage du circuit d'entraînement doivent être couplés par AC par des condensateurs, et des dispositifs d'isolement tels que les optocoupleurs sont utilisés pour l'isolement électrique afin d'éviter de nouvelles interférences électromagnétiques causées par le courant généré par la différence de potentiel. De plus, la mise à la terre de la couche de blindage est très importante. Selon la théorie de la mise à la terre, il est nécessaire de garantir que la résistance à la mise à la terre est inférieure à 0,1Ω pour atteindre un blindage électromagnétique efficace.

2. Construction minutieuse du système de mise à la terre

Principe: Selon la loi d'Ohm et la loi de Kirchhoff, l'objectif principal de la mise à la terre est de fournir un chemin de retour à faible impédance pour le courant, afin que la coquille métallique de l'équipement soit au même potentiel que la Terre. Cela peut non seulement éviter la haute tension provoquée par l'accumulation de électricité statique et l'induction électromagnétique en causant des dommages à l'équipement et au personnel, mais également supprimer efficacement les interférences électromagnétiques basées sur le principe de l'induction électromagnétique. Lorsque l'induction électromagnétique se produit dans l'équipement, le système de mise à la terre peut rapidement introduire le courant induit dans la Terre, réduisant ainsi la force électromotive induite sur l'équipement.

Fonctionnement spécifique: La coquille métallique du moteur est connectée à la Terre à travers un fil de mise à la terre dédié. Selon la norme de calcul de la capacité de charge du courant des fils et des câbles, la zone transversale du fil de mise à la terre doit être calculée et sélectionnée avec précision en fonction de la puissance nominale du moteur et du courant de court-circuit maximal qui peut être généré pour garantir une capacité de transport suffisante. Dans un moteur BLDC industriel de 5 kW, un fil de mise à la terre en cuivre avec une zone transversale de 6 mm² est sélectionné après calcul pour répondre aux exigences de transport du courant sous le courant de court-circuit. Dans le circuit d'entraînement, lorsqu'une carte de circuit imprimé multicouche (PCB) est utilisée, une couche est spécifiquement définie comme le plan de sol, et un logiciel de conception de PCB professionnel (tel que le concepteur d'altium) est utilisé pour disposer raisonnablement les vias de terre pour s'assurer que les broches de sol de chaque composant peuvent être connectées au plan de sol à proximité. Pour certaines pièces de circuit analogique clés, telles que le circuit de traitement du signal du capteur de position du moteur, une méthode de mise à la terre en un seul point est utilisée pour réduire efficacement l'interférence causée par la différence de potentiel de terre.

Remarque: Différents systèmes de mise à la terre doivent suivre strictement les spécifications de conception de compatibilité électromagnétique pour éviter les interférences mutuelles. Par exemple, dans les équipements médicaux, une forte mise à la terre du courant et une mise à la terre du courant faible doivent utiliser des troncs de mise à la terre indépendants, et des connexions équipotentielles doivent être établies dans le bus de mise à la terre pour empêcher une forte interférence de courant de saisir le circuit de courant faible à travers le système de mise à la terre. Dans le même temps, selon les normes pertinentes (telles que GB 50169-2016 'Installation électrique Ingénierie de mise de mise à la terre des dispositifs et spécifications d'acceptation '), la fiabilité de la connexion de mise à la terre est régulièrement testée pour garantir que la résistance de mise à la terre est toujours maintenue dans la plage spécifiée.

3. Configuration raisonnable des filtres

Principe: L'interférence conduite sur la ligne électrique comprend principalement des interférences en mode commune et des interférences en mode différentiel. L'inductance en mode commun utilise sa structure spéciale de l'enroulement parallèle à deux fils pour faire le flux magnétique généré par le courant en mode commun dans les deux enroulements se superpose, présentant ainsi une caractéristique d'impédance élevée au courant de mode commun et supprimant efficacement l'interférence en mode commune; Le condensateur en mode différentiel a une faible caractéristique d'impédance au courant de mode différentiel basé sur la caractéristique de réactance capacitive du condensateur (x_c = frac {1} {2 pi fc}), et peut contourner le signal d'interférence de mode différentiel à haute fréquence. Le filtre passe-bas sur la ligne de transmission du signal est basé sur les caractéristiques de réponse en fréquence du circuit LC. En sélectionnant raisonnablement les paramètres de l'inductance et du condensateur, il permet aux signaux à basse fréquence de passer et atténue efficacement des signaux d'interférence haute fréquence.

Fonctionnement spécifique: À l'extrémité de l'entrée d'alimentation, selon la plage de fréquence de tension, de courant et d'interférence de l'alimentation, utilisez un logiciel d'analyse de circuit (tel que PSPICE) pour un calcul précis et sélectionnez l'inducteur en mode commun et condensateur en mode différentiel avec des paramètres appropriés pour former un filtre. Par exemple, pour une alimentation d'entrée à AC 220 V à 50 Hz, l'inductance de l'inductance en mode commun peut être sélectionnée comme 5mh, et la capacité du condensateur en mode différentiel peut être sélectionnée comme 0,47 μF. Dans l'alimentation électrique du moteur BLDC d'un climatiseur domestique, après avoir utilisé le filtre avec ce paramètre, l'interférence conduite sur la ligne électrique est considérablement réduite, répondant aux normes de compatibilité électromagnétique pertinentes. Sur la ligne de transmission du signal, selon la fréquence et la bande passante du signal, la théorie de la conception du filtre est utilisée pour concevoir un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure appropriée. Par exemple, pour une ligne de transmission de signal à 1 MHz, la fréquence de coupure du filtre passe-bas est définie sur 5 MHz par calcul, qui filtre efficacement les signaux d'interférence à haute fréquence.

Remarque: La sélection des paramètres du filtre doit être adaptée avec précision aux caractéristiques réelles d'impédance et de fréquence du circuit, sinon l'effet de filtrage attendu ne peut pas être obtenu. Dans le même temps, la position d'installation du filtre est cruciale. Il est nécessaire de suivre le principe du chemin de propagation des interférences électromagnétiques le plus court, d'essayer d'être proche de la source d'interférence et du circuit protégé, et de réduire le couplage du signal d'interférence pendant le processus de transmission.

Principe: Selon la formule de couple électromagnétique du moteur t = k_ti (où K_T est la constante de couple et I est le courant), le cycle de fréquence et de service du signal PWM affectera directement le courant de changement de courant et de la tension du moteur, générant ainsi l'interférence électromagnétique des degrés variables. Lorsque la fréquence PWM résonne avec la fréquence naturelle ou la fréquence sensible des autres circuits, l'intensité d'interférence augmentera de façon exponentielle en fonction de la théorie des vibrations. La technologie PWM aléatoire introduit une séquence pseudo-aléatoire pour perturber la fréquence fixe du signal PWM, de sorte que l'énergie d'interférence est répartie uniformément dans une plage de fréquence plus large. Selon la théorie de la densité du spectre de puissance, il réduit efficacement l'intensité d'interférence à une fréquence spécifique.

Fonctionnement spécifique: Lors de la conception de l'algorithme de contrôle PWM, utilisez des outils d'analyse du spectre (tels que FFT Analyzer) pour analyser de manière globale les fréquences de fonctionnement d'autres circuits dans le système pour déterminer une plage de fréquence PWM raisonnable pour éviter le chevauchement avec des fréquences sensibles. Pour la technologie PWM aléatoire, un générateur de nombres pseudo-aléatoires basé sur un registre de décalage de rétroaction linéaire (LFSR) est utilisé pour générer un signal de contrôle variant en fréquence, de sorte que la fréquence du signal PWM fluctue aléatoirement dans la plage de fréquence de set, et que la plage de fluctuation puisse généralement être fixée à ± 15%. Dans le système de commande du moteur BLDC d'un véhicule électrique, l'intensité d'interférence électromagnétique a été réduite de plus de 10 dB après l'utilisation de la technologie PWM aléatoire, améliorant efficacement la compatibilité électromagnétique du système.

Remarque: Lors de l'utilisation de la technologie PWM aléatoire, son impact sur les performances de fonctionnement du moteur doit être entièrement pris en compte. En raison du changement de fréquence aléatoire, la pulsation de couple du moteur peut augmenter. Selon le principe de la dynamique du moteur, l'état de fonctionnement du moteur doit être surveillé et ajusté en temps réel. Le contrôle en boucle fermée actuelle, le contrôle de la boucle fermée à vitesse et d'autres stratégies peuvent être utilisés pour assurer le fonctionnement stable du moteur.

2. Mise en œuvre des stratégies de démarrage et d'arrêt doux

Principe: Au moment du démarrage et de l'arrêt du moteur, en raison du bon changement de courant, selon la loi de l'induction électromagnétique, une forte interférence électromagnétique sera générée. Les stratégies de démarrage et d'arrêt souples contrôlent le taux de changement de cycle de service du signal PWM afin que le courant et la tension du moteur changent progressivement en fonction d'une relation fonctionnelle prédéterminée, réduisant ainsi efficacement l'interférence électromagnétique. Par exemple, l'utilisation d'une fonction exponentielle pour contrôler le changement de cycle de service peut rendre le changement de courant et de tension plus fluide.

Fonctionnement spécifique: Dans la phase de démarrage, selon les caractéristiques de charge du moteur et les exigences du système, définissez un temps de démarrage approprié, tel que 1S. Au cours de cette période, le cycle de service du signal PWM est progressivement augmenté grâce à une fonction de hausse exponentielle pour rendre la tension d'entraînement de l'élévation du moteur régulièrement. Au stade d'arrêt, un temps d'arrêt est également défini, tel que 1,5 s, et le cycle de service du signal PWM est progressivement réduit par une fonction décroissante exponentielle pour obtenir un arrêt lent du moteur. Dans le système d'entraînement du moteur BLDC d'un ascenseur, après avoir adopté les stratégies de démarrage et d'arrêt doux, l'interférence électromagnétique est considérablement réduite et la douceur du fonctionnement de l'ascenseur est améliorée.

Remarque: Le réglage du temps de démarrage et d'arrêt souple doit être ajusté avec précision en fonction des caractéristiques de charge du moteur et du scénario d'application réel. Si le temps est trop court, l'interférence électromagnétique ne peut pas être supprimée efficacement; Si le temps est trop long, cela affectera l'efficacité de travail et la vitesse de réponse du moteur. Les paramètres de temps optimaux peuvent être déterminés par des tests expérimentaux et une analyse de simulation.