Metodo di progettazione e implementazione EMC del motore BLDC

Principio: secondo le equazioni di Maxwell, l'interferenza elettromagnetica si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche, che contengono componenti di campo elettrico e magnetico alterni. I metalli hanno un'elevata conduttività elettrica e permeabilità magnetica. Quando l'interferenza elettromagnetica è incidente sullo strato di schermatura del metallo, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, il campo elettrico guiderà gli elettroni liberi nel metallo per muoversi in modo direzionale, generando così una corrente indotta. Secondo la legge di Lenz, il campo magnetico eccitato dalla corrente indotta è opposto al campo magnetico di interferenza incidente e i due sono sovrapposti l'uno sull'altro per compensare efficacemente parte del campo magnetico di interferenza; Allo stesso tempo, secondo le condizioni al contorno del campo elettrico, lo strato di schermatura metallica può tagliare il percorso di propagazione del campo elettrico, ottenendo così un effetto di schermatura.

Specific operation: In the motor manufacturing process, based on the electromagnetic properties of the material, aluminum alloys (whose electrical conductivity is about 3.5×10⁷ S/m and relative magnetic permeability is close to 1) and iron-nickel alloys (with high magnetic permeability, such as Permalloy, which can reach 10⁵ in a weak magnetic field) are preferred as motor housing materials. E adottare una tecnologia di tenuta avanzata, come la saldatura laser, il sigillante in metallo, ecc., Per ridurre al minimo le lacune e i fori nel guscio per prevenire le perdite di interferenza elettromagnetica. Prendi il motore BLDC in un'attrezzatura di automazione industriale come esempio. Usa un guscio in lega di alluminio. Attraverso la precisa tecnologia di elaborazione del CNC, il divario nell'articolazione del guscio è inferiore a 0,1 mm, il che riduce efficacemente l'intensità delle radiazioni elettromagnetiche. Per il circuito di azionamento, in base alle dimensioni del circuito e all'intensità dell'interferenza elettromagnetica, viene selezionata una copertura di schermatura metallica con spessore adeguato, come una copertura di schermatura in rame con uno spessore di 0,5-1 mm e la scheggia di metallo è saldata dalla tecnologia di montaggio superficiale (SMT) per garantire che una connessione elettrica a bassa impegnata sia formata tra la copertura di circuizione.

Nota: nel processo di progettazione di schermatura, le linee guida per la progettazione della compatibilità elettromagnetica devono essere seguite rigorosamente per evitare la formazione di nuove fonti di interferenza tra diversi livelli di schermatura. Ad esempio, nei sistemi elettronici automobilistici, l'alloggiamento del motore e la copertura per la schermatura del circuito di azionamento devono essere accoppiati attraverso i condensatori e vengono utilizzati dispositivi di isolamento come gli accoppiatori di optopler per l'isolamento elettrico per prevenire nuove interferenze elettromagnetiche causate dalla corrente generata dalla potenziale differenza. Inoltre, la messa a terra dello strato di schermatura è molto importante. Secondo la teoria di messa a terra, è necessario garantire che la resistenza di messa a terra sia inferiore a 0,1Ω per ottenere una schermatura elettromagnetica efficiente.

2. Attenta costruzione del sistema di messa a terra

Principio: Secondo la legge di Ohm e la legge di Kirchhoff, lo scopo principale della messa a terra è quello di fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza per la corrente, in modo che il guscio metallico dell'attrezzatura sia al massimo del potenziale della Terra. Ciò non può solo evitare l'alta tensione causata dall'accumulo di elettricità statica e dall'induzione elettromagnetica dal causare danni alle apparecchiature e al personale, ma sopprimono efficacemente anche l'interferenza elettromagnetica basata sul principio dell'induzione elettromagnetica. Quando l'induzione elettromagnetica si verifica nell'apparecchiatura, il sistema di messa a terra può introdurre rapidamente la corrente indotta nella terra, riducendo così la forza elettromotrice indotta sull'apparecchiatura.

Operazione specifica: il guscio metallico del motore è collegato alla terra attraverso un filo di messa a terra dedicato. Secondo l'attuale standard di calcolo della capacità di carico di fili e cavi, l'area della sezione trasversale del filo di messa a terra deve essere calcolata e selezionata accuratamente in base alla potenza nominale del motore e alla corrente massima di cortocircuito che può essere generata per garantire una capacità di trasporto di corrente sufficiente. In un motore BLDC industriale da 5 kW, dopo il calcolo viene selezionato un filo di messa a terra in rame con una sezione trasversale di 6 mm² per soddisfare i requisiti di trasporto di corrente nell'ambito della corrente di corto circuito. Nel circuito di azionamento, quando viene utilizzato un circuito stampato a più livelli (PCB), uno strato viene specificamente definito come piano di terra e il software di progettazione PCB professionale (come il progettista di Altium) viene utilizzato per layout ragionevolmente le VIA di terra per garantire che i pin di terra di ciascun componente possano essere collegati al piano di terra nelle vicinanze. Per alcune parti del circuito analogico chiave, come il circuito di elaborazione del segnale del sensore di posizione del motore, viene utilizzato un metodo di messa a terra a punto singolo per ridurre efficacemente l'interferenza causata dalla differenza di potenziale di terra.

Nota: diversi sistemi di messa a terra devono seguire rigorosamente le specifiche di progettazione della compatibilità elettromagnetica per evitare interferenze reciproche. Ad esempio, nelle attrezzature mediche, la messa a terra di corrente forte e la messa a terra di corrente debole devono utilizzare tronchi di messa a terra indipendenti e le connessioni equipotenziali devono essere effettuate sul bus di messa a terra per impedire alla forte interferenza di corrente di entrare nel circuito di corrente debole attraverso il sistema di messa a terra. Allo stesso tempo, secondo gli standard pertinenti (come GB 50169-2016 'Ingegneria elettrica Ingegneria di messa a terra Construction e Specifiche di accettazione '), l'affidabilità della connessione di messa a terra viene regolarmente testata per garantire che la resistenza di messa a terra sia sempre mantenuta all'interno della gamma specificata.

3. Configurazione ragionevole dei filtri

Principio: l'interferenza condotta sulla linea di alimentazione include principalmente l'interferenza della modalità comune e l'interferenza della modalità differenziale. L'induttore in modalità comune usa la sua struttura speciale di avvolgimento parallelo a due fili per rendere il flusso magnetico generato dalla corrente di modalità comune nei due avvolgimenti si sovrappongono, presentando così una caratteristica ad alta impedenza alla corrente in modalità comune e sopprimendo efficacemente l'interferenza in modalità comune; Il condensatore in modalità differenziale ha una caratteristica a bassa impedenza alla corrente in modalità differenziale in base alla caratteristica della reattanza capacitiva del condensatore (x_c = frac {1} {2 pi fc}) e può bypassare il segnale di interferenza differenziale ad alta frequenza. Il filtro passa basso sulla linea di trasmissione del segnale si basa sulle caratteristiche di risposta in frequenza del circuito LC. Selezionando ragionevolmente i parametri dell'induttore e del condensatore, consente di passare attraverso i segnali a bassa frequenza e attenua efficacemente segnali di interferenza ad alta frequenza.

Funzionamento specifico: all'estremità di input di alimentazione, in base alla tensione, alla corrente di frequenza di interferenza dell'alimentazione, utilizzare il software di analisi del circuito (come PSPice) per un calcolo accurato e selezionare l'induttore in modalità comune e il condensatore in modalità differenziale con parametri appropriati per formare un filtro. Ad esempio, per un alimentatore di ingresso CA da 220 V, 50Hz, l'induttanza dell'induttore in modalità comune può essere selezionata come 5mh e la capacità del condensatore in modalità differenziale può essere selezionata come 0,47 μf. Nell'alimentatore del motore BLDC di un condizionatore d'aria domestico, dopo aver utilizzato il filtro con questo parametro, l'interferenza condotta sulla linea elettrica è notevolmente ridotta, soddisfacendo gli standard di compatibilità elettromagnetica pertinenti. Sulla linea di trasmissione del segnale, secondo la frequenza e la larghezza di banda del segnale, la teoria del design del filtro viene utilizzata per progettare un filtro passa-basso con una frequenza di taglio adeguata. Ad esempio, per una linea di trasmissione del segnale da 1 MHz, la frequenza di taglio del filtro passa basso è impostata su 5MHz mediante calcolo, che filtra efficacemente segnali di interferenza ad alta frequenza.

Nota: la selezione dei parametri del filtro deve essere accuratamente abbinata alle caratteristiche di impedenza e frequenza effettiva del circuito, altrimenti l'effetto di filtraggio previsto non può essere raggiunto. Allo stesso tempo, la posizione di installazione del filtro è cruciale. È necessario seguire il principio del percorso di propagazione di interferenza elettromagnetica più breve, cercare di essere vicino alla sorgente di interferenza e al circuito protetto e ridurre l'accoppiamento del segnale di interferenza durante il processo di trasmissione.

Principio: secondo la formula di coppia elettromagnetica del motore t = k_ti (dove k_t è la costante di coppia e i è la corrente), la frequenza e il ciclo di lavoro del segnale PWM influenzeranno direttamente la velocità di variazione della corrente e della tensione del motore, generando così l'interferenza elettromagnetica dei gradi variabili. Quando la frequenza PWM risuona con la frequenza naturale o la frequenza sensibile di altri circuiti, l'intensità di interferenza aumenterà in modo esponenziale secondo la teoria delle vibrazioni. La tecnologia PWM casuale introduce una sequenza pseudo-casuale per interrompere la frequenza fissa del segnale PWM, in modo che l'energia di interferenza sia distribuita uniformemente in un intervallo di frequenza più ampia. Secondo la teoria della densità dello spettro di potenza, riduce efficacemente l'intensità di interferenza a una frequenza specifica.

Funzionamento specifico: durante la progettazione dell'algoritmo di controllo PWM, utilizzare strumenti di analisi dello spettro (come FFT Analyzer) per analizzare in modo completo le frequenze operative di altri circuiti nel sistema per determinare un ragionevole intervallo di frequenza PWM per evitare la sovrapposizione con le frequenze sensibili. Per la tecnologia PWM casuale, viene utilizzato un generatore di numeri pseudo-casuali basato su un registro di spostamento di feedback lineare (LFSR) per generare un segnale di controllo variabile in frequenza, in modo che la frequenza del segnale PWM fluttua casualmente all'interno dell'intervallo di frequenza impostata e l'intervallo di fluttuazione può essere generalmente impostata su ± 15%. Nel sistema di controllo del motore BLDC di un veicolo elettrico, l'intensità di interferenza elettromagnetica è stata ridotta di oltre 10 dB dopo l'uso della tecnologia PWM casuale, migliorando efficacemente la compatibilità elettromagnetica del sistema.

Nota: quando si utilizzano la tecnologia PWM casuale, il suo impatto sulle prestazioni operative del motore deve essere considerato completamente. A causa del cambio di frequenza casuale, la pulsazione della coppia del motore può aumentare. Secondo il principio della dinamica del motore, lo stato operativo del motore deve essere monitorato e regolato in tempo reale. Il controllo a circuito chiuso corrente, il controllo a circuito chiuso di velocità e altre strategie possono essere utilizzati per garantire il funzionamento stabile del motore.

2. Implementazione di strategie di soft start e soft stop

Principio: al momento dell'avvio e della fermata del motore, a causa del forte cambiamento di corrente, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, verrà generata una forte interferenza elettromagnetica. Le strategie soft start e soft stop controllano il tasso di cambio del ciclo di lavoro del segnale PWM in modo che la corrente e la tensione del motore cambino gradualmente in base a una relazione funzionale predeterminata, riducendo così efficacemente l'interferenza elettromagnetica. Ad esempio, l'uso di una funzione esponenziale per controllare la modifica del ciclo di lavoro può rendere più fluida la variazione della corrente e della tensione.

Operazione specifica: nella fase di avvio, in base alle caratteristiche di carico del motore e ai requisiti di sistema, impostare un tempo di avvio adeguato, come 1S. Durante questo periodo, il ciclo di lavoro del segnale PWM viene gradualmente aumentato attraverso una funzione di aumento esponenziale per rendere costantemente la tensione di azionamento dell'aumento del motore. Nella fase di arresto, è impostato anche un tempo di arresto, come 1,5 secondi, e il ciclo di lavoro del segnale PWM viene gradualmente ridotto attraverso una funzione in modo esponenziale per ottenere una lenta arresto del motore. Nel sistema di trasmissione del motore BLDC di un ascensore, dopo aver adottato le strategie di avvio morbido e di arresto morbido, l'interferenza elettromagnetica è significativamente ridotta e la levigatezza del funzionamento dell'ascensore è migliorata.

Nota: l'impostazione del tempo di Soft Start e Soft Stop deve essere regolata accuratamente in base alle caratteristiche di carico del motore e allo scenario dell'applicazione effettiva. Se il tempo è troppo breve, l'interferenza elettromagnetica non può essere efficacemente soppressa; Se il tempo è troppo lungo, influenzerà l'efficienza di lavoro e la velocità di risposta del motore. I parametri del tempo ottimali possono essere determinati attraverso test sperimentali e analisi di simulazione.