Método de design e implementação EMC do motor BLDC

Princípio: De acordo com as equações de Maxwell, a interferência eletromagnética se propaga na forma de ondas eletromagnéticas, que contêm componentes alternados de campo elétrico e magnético. Os metais têm alta condutividade elétrica e permeabilidade magnética. Quando a interferência eletromagnética é incidente na camada de blindagem de metal, de acordo com a lei da indução eletromagnética, o campo elétrico aciona os elétrons livres no metal a se mover de maneira direcional, gerando assim uma corrente induzida. De acordo com a lei de Lenz, o campo magnético excitado pela corrente induzida é oposto ao campo magnético de interferência incidente, e os dois são sobrepostos um sobre o outro a compensar efetivamente a parte do campo magnético de interferência; Ao mesmo tempo, de acordo com as condições de contorno do campo elétrico, a camada de blindagem de metal pode cortar o caminho de propagação do campo elétrico, alcançando assim um efeito de blindagem.

Operação específica: No processo de fabricação de motores, com base nas propriedades eletromagnéticas do material, ligas de alumínio (cuja condutividade elétrica é de cerca de 3,5 × 10⁷ s/m e a relativa permeabilidade magnética é próxima de 1) e o campo de nickel de ferro (com alta permeabilidade magnética, como a permealidade, o que pode atingir 10 ⁵ em um campo magnético). E adote a tecnologia avançada de vedação, como soldagem a laser, selante de metal, etc., para minimizar as lacunas e os orifícios na concha para evitar vazamentos de interferência eletromagnética. Pegue o motor BLDC em um equipamento de automação industrial como exemplo. Ele usa uma concha de liga de alumínio. Através da tecnologia precisa do processamento de CNC, a lacuna na articulação da concha é inferior a 0,1 mm, o que reduz efetivamente a intensidade da radiação eletromagnética. Para o circuito de acionamento, de acordo com o tamanho da placa de circuito e a intensidade da interferência eletromagnética, é selecionada uma tampa de blindagem de metal com espessura apropriada, como uma cobertura de blindagem de cobre com uma espessura de 0,5-1mm, e a conexão de metal é soldada pela tecnologia de montagem de superfície (SMT) para garantir que a conexão de baixa impressão seja formada entre a Shielding Surfield (SMT).

Nota: No processo de projeto de blindagem, as diretrizes de projeto de compatibilidade eletromagnética devem ser seguidas estritamente para evitar a formação de novas fontes de interferência entre diferentes camadas de blindagem. Por exemplo, em sistemas eletrônicos automotivos, o alojamento do motor e a tampa de blindagem do circuito de acionamento precisam ser acoplados CA através de capacitores e dispositivos de isolamento, como optocuplores, são usados ​​para isolamento elétrico para evitar novas interferências eletromagnéticas causadas pela corrente gerada pela diferença de potencial. Além disso, o aterramento da camada de blindagem é muito importante. De acordo com a teoria do aterramento, é necessário garantir que a resistência ao aterramento seja menor que 0,1Ω para obter uma blindagem eletromagnética eficiente.

2. Construção cuidadosa do sistema de aterramento

Princípio: De acordo com a lei de Ohm e a lei de Kirchhoff, o objetivo principal do aterramento é fornecer um caminho de retorno de baixa impedância para a corrente, para que a concha de metal do equipamento esteja no mesmo potencial que a Terra. Isso pode não apenas evitar a alta tensão causada pelo acúmulo de eletricidade estática e pela indução eletromagnética de causar danos ao equipamento e pessoal, mas também suprimir efetivamente a interferência eletromagnética com base no princípio da indução eletromagnética. Quando a indução eletromagnética ocorre no equipamento, o sistema de aterramento pode introduzir rapidamente a corrente induzida na Terra, reduzindo assim a força eletromotiva induzida no equipamento.

Operação específica: A concha de metal do motor é conectada à Terra através de um fio de aterramento dedicado. De acordo com o padrão de cálculo da capacidade de carga atual de fios e cabos, a área de seção transversal do fio de aterramento precisa ser calculada e selecionada com precisão de acordo com a potência nominal do motor e a corrente máxima de curto-circuito que pode ser gerada para garantir a capacidade de carga de corrente suficiente. Em um motor Industrial BLDC de 5kW, um fio de aterramento de cobre com uma área de seção transversal de 6 mm² é selecionado após o cálculo para atender aos requisitos atuais de transporte sob corrente de curto-circuito. No circuito de acionamento, quando uma placa de circuito impressa em várias camadas (PCB) é usada, uma camada é especificamente definida como o plano de aterramento e o software profissional de design de PCB (como o Altium Designer) é usado para layout razoavelmente as vias terrestres para garantir que os pinos terrestres de cada componente possam ser conectados ao plano moído próximo. Para algumas partes importantes do circuito analógico, como o circuito de processamento de sinal do sensor de posição do motor, um método de aterramento de ponto único é usado para reduzir efetivamente a interferência causada pela diferença de potencial do solo.

Nota: Diferentes sistemas de aterramento devem seguir estritamente as especificações do projeto de compatibilidade eletromagnética para evitar interferências mútuas. Por exemplo, em equipamentos médicos, o aterramento de corrente forte e o aterramento de corrente fraca devem usar troncos de aterramento independentes, e as conexões equipotenciais devem ser feitas no barramento de aterramento para impedir que a forte interferência de corrente entre no circuito de corrente fraco através do sistema de aterramento. Ao mesmo tempo, de acordo com os padrões relevantes (como GB 50169-2016 'Construção de dispositivos de aterramento de engenharia de instalação elétrica especificações e especificações de aceitação '), a confiabilidade da conexão de aterramento é testada regularmente para garantir que a resistência ao aterramento seja sempre mantida dentro da faixa especificada.

3. Configuração razoável dos filtros

Princípio: a interferência conduzida na linha de energia inclui principalmente interferência de modo comum e interferência de modo diferencial. O indutor de modo comum usa sua estrutura especial de enrolamento paralelo de dois fios para tornar o fluxo magnético gerado pela corrente de modo comum nos dois enrolamentos se sobreponha, apresentando assim uma característica de alta impedância à corrente do modo comum e suprimindo efetivamente a interferência do modo comum; O capacitor do modo diferencial tem uma característica de baixa impedância para a corrente do modo diferencial com base na característica de reatância capacitiva do capacitor (x_c = frac {1} {2 pi fc}) e pode ignorar o sinal de interferência de modo diferencial de alta frequência. O filtro passa-baixo na linha de transmissão de sinal é baseado nas características da resposta de frequência do circuito LC. Ao selecionar razoavelmente os parâmetros do indutor e do capacitor, ele permite que os sinais de baixa frequência passem e atenua efetivamente sinais de interferência de alta frequência.

Operação específica: na extremidade da entrada de energia, de acordo com a faixa de tensão, corrente e frequência de interferência da fonte de alimentação, use o software de análise de circuito (como PSPice) para cálculo preciso e selecione o indutor de modo comum e o capacitor de modo diferencial com parâmetros apropriados para formar um filtro. Por exemplo, para uma fonte de alimentação de entrada de 220V e 50Hz, a indutância do indutor de modo comum pode ser selecionada como 5MH e a capacidade do capacitor de modo diferencial pode ser selecionada como 0,47μF. Na fonte de alimentação do acionamento do motor BLDC de um ar condicionado doméstico, depois de usar o filtro com esse parâmetro, a interferência conduzida na linha de energia é bastante reduzida, atendendo aos padrões relevantes de compatibilidade eletromagnética. Na linha de transmissão de sinal, de acordo com a frequência e a largura de banda do sinal, a teoria do design do filtro é usada para projetar um filtro passa-baixo com uma frequência de corte adequada. Por exemplo, para uma linha de transmissão de sinal de 1MHz, a frequência de corte do filtro passa-baixa é definida como 5MHz por cálculo, que efetivamente filtra os sinais de interferência de alta frequência.

Nota: A seleção de parâmetros do filtro deve ser comparada com precisão com as características reais de impedância e frequência do circuito, caso contrário, o efeito de filtragem esperado pode não ser alcançado. Ao mesmo tempo, a posição de instalação do filtro é crucial. É necessário seguir o princípio do caminho de propagação de interferência eletromagnética mais curta, tentar estar próximo da fonte de interferência e do circuito protegido e reduzir o acoplamento do sinal de interferência durante o processo de transmissão.

Princípio: De acordo com a fórmula de torque eletromagnético do motor t = k_ti (onde K_T é a constante de torque e I é a corrente), o ciclo de frequência e trabalho do sinal PWM afetará diretamente a taxa de mudança de corrente e tensão do motor, gerando assim a interferência eletromagnética dos graus de variação. Quando a frequência do PWM ressoa com a frequência natural ou a frequência sensível de outros circuitos, a intensidade da interferência aumentará exponencialmente de acordo com a teoria da vibração. A tecnologia PWM aleatória introduz uma sequência pseudo-aleatória para interromper a frequência fixa do sinal PWM, para que a energia de interferência seja distribuída uniformemente em uma faixa de frequência mais ampla. De acordo com a teoria da densidade do espectro de potência, ele reduz efetivamente a intensidade da interferência em uma frequência específica.

Operação específica: Ao projetar o algoritmo de controle do PWM, use ferramentas de análise de espectro (como analisador de FFT) para analisar de maneira abrangente as frequências operacionais de outros circuitos no sistema para determinar uma faixa de frequência PWM razoável para evitar a sobreposição de frequências sensíveis. Para a tecnologia Random PWM, um gerador de números pseudo-aleatórios com base em um registro de mudança de feedback linear (LFSR) é usado para gerar um sinal de controle que varia de frequência, de modo que a frequência do sinal PWM flutua aleatoriamente dentro da faixa de frequência definida e a faixa de flutuação geralmente pode ser definida para ± 15%. No sistema de controle do motor BLDC de um veículo elétrico, a intensidade da interferência eletromagnética foi reduzida em mais de 10dB após a tecnologia Random PWM, melhorando efetivamente a compatibilidade eletromagnética do sistema.

Nota: Ao usar a tecnologia PWM aleatória, seu impacto no desempenho operacional do motor deve ser totalmente considerado. Devido à mudança aleatória de frequência, a pulsação de torque do motor pode aumentar. De acordo com o princípio da dinâmica motor, o status de operação do motor precisa ser monitorado e ajustado em tempo real. Controle de circuito fechado, controle de circuito fechado de velocidade e outras estratégias podem ser usadas para garantir a operação estável do motor.

2. Implementação de estratégias suaves de partida e parada suave

Princípio: No momento do início do motor e parada, devido à nítida mudança de corrente, de acordo com a lei da indução eletromagnética, será gerada forte interferência eletromagnética. As estratégias de partida e parada suave controlam a taxa de mudança do ciclo de trabalho do sinal PWM, de modo que a corrente e a tensão do motor mudem gradualmente de acordo com uma relação funcional predeterminada, reduzindo efetivamente a interferência eletromagnética. Por exemplo, o uso de uma função exponencial para controlar a mudança do ciclo de trabalho pode tornar a alteração da corrente e da tensão mais suaves.

Operação específica: na fase de inicialização, de acordo com as características de carga do motor e os requisitos do sistema, defina um tempo de inicialização adequado, como 1s. Durante esse período, o ciclo de trabalho do sinal PWM é gradualmente aumentado através de uma função de ascensão exponencial para fazer com que a tensão do acionamento do motor suba constantemente. No estágio de parada, também é definido um tempo de parada, como 1.5s, e o ciclo de trabalho do sinal PWM é gradualmente reduzido através de uma função exponencialmente decrescente para obter uma parada lenta do motor. No sistema de acionamento do motor BLDC de um elevador, depois de adotar as estratégias de partida suave e parada suave, a interferência eletromagnética é significativamente reduzida e a suavidade da operação do elevador é melhorada.

Nota: A configuração de tempo da partida suave e a parada suave precisa ser ajustada com precisão de acordo com as características de carga do motor e o cenário de aplicação real. Se o tempo for muito curto, a interferência eletromagnética não poderá ser efetivamente suprimida; Se o tempo for muito longo, afetará a eficiência de trabalho e a velocidade de resposta do motor. Os parâmetros ideais de tempo podem ser determinados por meio de testes experimentais e análise de simulação.