EMC návrh a spôsob implementácie BLDC motora

Princíp: Podľa Maxwellových rovníc sa elektromagnetické rušenie šíri vo forme elektromagnetických vĺn, ktoré obsahujú striedavé zložky elektrického a magnetického poľa. Kovy majú vysokú elektrickú vodivosť a magnetickú permeabilitu. Keď elektromagnetické rušenie dopadne na kovovú tieniacu vrstvu, podľa zákona elektromagnetickej indukcie bude elektrické pole riadiť voľné elektróny v kove, aby sa pohybovali smerovým spôsobom, čím sa generuje indukovaný prúd. Podľa Lenzovho zákona je magnetické pole vybudené indukovaným prúdom opačné k dopadajúcemu interferenčnému magnetickému poľu a obe sú superponované na seba, aby účinne kompenzovali časť interferenčného magnetického poľa; zároveň môže kovová tieniaca vrstva podľa okrajových podmienok elektrického poľa odrezať dráhu šírenia elektrického poľa, čím sa dosiahne tieniaci efekt.

Špecifická prevádzka: V procese výroby motora sa na základe elektromagnetických vlastností materiálu uprednostňujú hliníkové zliatiny (ktorých elektrická vodivosť je asi 3,5 × 10⁷ S/m a relatívna magnetická permeabilita je blízka 1) a zliatiny železa a niklu (s vysokou magnetickou permeabilitou, ako je Permalloy, ktorá môže dosiahnuť 10⁵ v slabom magnetickom poli motora). A prijať pokročilú technológiu tesnenia, ako je laserové zváranie, kovový tmel atď., Aby sa minimalizovali medzery a otvory v plášti, aby sa zabránilo úniku elektromagnetického rušenia. Vezmite si ako príklad BLDC motor v zariadení priemyselnej automatizácie. Používa plášť z hliníkovej zliatiny. Vďaka presnej technológii CNC spracovania je medzera v spoji plášťa menšia ako 0,1 mm, čo účinne znižuje intenzitu elektromagnetického žiarenia. Pre obvod pohonu sa podľa veľkosti dosky plošných spojov a intenzity elektromagnetického rušenia zvolí kovový tieniaci kryt s vhodnou hrúbkou, napríklad medený tieniaci kryt s hrúbkou 0,5-1 mm, a kovový šrapnel je zvarený technológiou povrchovej montáže (SMT), aby sa medzi tieniacim krytom a doskou plošných spojov vytvorilo nízkoimpedančné elektrické spojenie.

Poznámka: V procese navrhovania tienenia sa musia prísne dodržiavať pokyny pre návrh elektromagnetickej kompatibility, aby sa zabránilo vzniku nových zdrojov rušenia medzi rôznymi vrstvami tienenia. Napríklad v automobilových elektronických systémoch musia byť kryt motora a tieniaci kryt hnacieho obvodu AC prepojené cez kondenzátory a na elektrickú izoláciu sa používajú izolačné zariadenia, ako sú optočleny, aby sa zabránilo novému elektromagnetickému rušeniu spôsobenému prúdom generovaným rozdielom potenciálov. Okrem toho je veľmi dôležité uzemnenie tieniacej vrstvy. Podľa teórie uzemnenia je potrebné zabezpečiť, aby odpor uzemnenia bol menší ako 0,1Ω, aby sa dosiahlo účinné elektromagnetické tienenie.

2. Starostlivá konštrukcia uzemňovacieho systému

Princíp: Podľa Ohmovho zákona a Kirchhoffovho zákona je hlavným účelom uzemnenia poskytnúť nízkoimpedančnú spätnú cestu pre prúd, takže kovový plášť zariadenia má rovnaký potenciál ako zem. To môže nielen zabrániť tomu, aby vysoké napätie spôsobené akumuláciou statickej elektriny a elektromagnetickej indukcie spôsobovalo poškodenie zariadení a personálu, ale tiež účinne potláčalo elektromagnetické rušenie založené na princípe elektromagnetickej indukcie. Keď sa v zariadení vyskytne elektromagnetická indukcia, uzemňovací systém môže rýchlo zaviesť indukovaný prúd do zeme, čím sa zníži indukovaná elektromotorická sila na zariadení.

Špecifická prevádzka: Kovový plášť motora je spojený so zemou cez vyhradený uzemňovací vodič. Podľa štandardu výpočtu prúdovej únosnosti vodičov a káblov je potrebné presne vypočítať a zvoliť prierez uzemňovacieho vodiča podľa menovitého výkonu motora a maximálneho skratového prúdu, ktorý môže byť generovaný, aby sa zabezpečila dostatočná prúdová zaťažiteľnosť. V 5 kW priemyselnom BLDC motore sa po výpočte vyberie medený uzemňovací vodič s prierezom 6 mm², aby sa splnili požiadavky na prúd pri skratovom prúde. V budiacom obvode, keď sa používa viacvrstvová doska s plošnými spojmi (PCB), jedna vrstva je špecificky definovaná ako uzemňovacia rovina a profesionálny softvér na návrh PCB (ako je Altium Designer) sa používa na rozumné usporiadanie uzemňovacích priechodov, aby sa zabezpečilo, že uzemňovacie kolíky každého komponentu možno pripojiť k blízkej uzemňovacej rovine. Pre niektoré kľúčové časti analógového obvodu, ako je napríklad obvod spracovania signálu snímača polohy motora, sa na efektívne zníženie rušenia spôsobeného rozdielom zemného potenciálu používa metóda jednobodového uzemnenia.

Poznámka: Rôzne uzemňovacie systémy musia prísne dodržiavať konštrukčné špecifikácie elektromagnetickej kompatibility, aby sa zabránilo vzájomnému rušeniu. Napríklad v zdravotníckych zariadeniach musí uzemnenie silného prúdu a uzemnenie slabého prúdu používať nezávislé uzemňovacie kanály a na uzemňovacej zbernici musia byť vytvorené ekvipotenciálne spojenia, aby sa zabránilo vniknutiu silného prúdového rušenia do obvodu slabého prúdu cez uzemňovací systém. Zároveň sa podľa príslušných noriem (napríklad GB 50169-2016 'Konštrukcia a akceptačné špecifikácie uzemňovacieho zariadenia elektroinštalácie') pravidelne testuje spoľahlivosť uzemňovacieho spojenia, aby sa zabezpečilo, že odpor uzemnenia bude vždy udržiavaný v špecifikovanom rozsahu.

3. Rozumná konfigurácia filtrov

Princíp: Vedené rušenie na elektrickom vedení zahŕňa hlavne rušenie v bežnom režime a rušenie v diferenciálnom režime. Induktor so spoločným režimom využíva svoju špeciálnu štruktúru dvojvodičového paralelného vinutia na to, aby sa magnetický tok generovaný prúdom v spoločnom režime v dvoch vinutiach navzájom prekrýval, čím predstavuje vysokú impedančnú charakteristiku prúdu v spoločnom režime a účinne potláča rušenie v spoločnom režime; diferenciálny kondenzátor má nízku impedančnú charakteristiku voči diferenciálnemu prúdu založenú na kapacitnej reaktančnej charakteristike kondenzátora (X_C = rac{1}{2pi fC}) a môže obísť vysokofrekvenčný diferenciálny rušivý signál. Dolnopriepustný filter na prenosovej linke signálu je založený na charakteristikách frekvenčnej odozvy LC obvodu. Rozumným výberom parametrov tlmivky a kondenzátora umožňuje prechod nízkofrekvenčných signálov a efektívne tlmí vysokofrekvenčné rušivé signály.

Špecifická prevádzka: Na konci napájacieho vstupu, podľa napätia, prúdu a frekvenčného rozsahu rušenia napájacieho zdroja, použite softvér na analýzu obvodov (ako je PSpice) na presný výpočet a vyberte tlmivku so spoločným režimom a diferenciálny kondenzátor s vhodnými parametrami na vytvorenie filtra. Napríklad pre vstupné napájanie 220 V, 50 Hz AC, indukčnosť tlmivky so spoločným režimom môže byť zvolená ako 5 mH a kapacita diferenciálneho kondenzátora môže byť zvolená ako 0,47 μF. V napájacom zdroji BLDC motorového pohonu domácej klimatizácie je po použití filtra s týmto parametrom výrazne znížené rušenie vedením na elektrickom vedení, čo spĺňa príslušné normy elektromagnetickej kompatibility. Na linke prenosu signálu sa podľa frekvencie a šírky pásma signálu použije teória návrhu filtra na návrh dolnopriepustného filtra s vhodnou medznou frekvenciou. Napríklad pre linku na prenos signálu s frekvenciou 1 MHz je medzná frekvencia dolnopriepustného filtra výpočtom nastavená na 5 MHz, čo efektívne odfiltruje vysokofrekvenčné rušivé signály.

Poznámka: Výber parametrov filtra sa musí presne zhodovať so skutočnými impedančnými a frekvenčnými charakteristikami obvodu, inak sa nemusí dosiahnuť očakávaný efekt filtrovania. Zároveň je rozhodujúca poloha inštalácie filtra. Je potrebné dodržiavať zásadu najkratšej cesty šírenia elektromagnetického rušenia, snažiť sa byť blízko zdroja rušenia a chráneného obvodu a znižovať väzbu rušivého signálu počas procesu prenosu.

Princíp: Podľa vzorca elektromagnetického momentu motora T = K_tI (kde K_t je konštanta krútiaceho momentu a I je prúd), frekvencia a pracovný cyklus signálu PWM priamo ovplyvní rýchlosť zmeny prúdu a napätia motora, čím sa vytvorí elektromagnetické rušenie rôzneho stupňa. Keď frekvencia PWM rezonuje s vlastnou frekvenciou alebo citlivou frekvenciou iných obvodov, intenzita rušenia sa podľa teórie vibrácií exponenciálne zvýši. Náhodná PWM technológia zavádza pseudonáhodnú sekvenciu na narušenie pevnej frekvencie PWM signálu, takže rušivá energia je rovnomerne rozložená v širšom frekvenčnom rozsahu. Podľa teórie hustoty výkonového spektra účinne znižuje intenzitu rušenia pri určitej frekvencii.

Špecifická prevádzka: Pri navrhovaní algoritmu riadenia PWM použite nástroje na analýzu spektra (ako je analyzátor FFT) na komplexnú analýzu prevádzkových frekvencií iných obvodov v systéme, aby ste určili primeraný frekvenčný rozsah PWM, aby ste sa vyhli prekrývaniu s citlivými frekvenciami. Pre technológiu náhodnej PWM sa používa generátor pseudonáhodných čísel založený na posuvnom registri s lineárnou spätnou väzbou (LFSR) na generovanie riadiaceho signálu s premenlivou frekvenciou, takže frekvencia signálu PWM náhodne kolíše v nastavenom frekvenčnom rozsahu a rozsah kolísania môže byť vo všeobecnosti nastavený na ±15 %. V systéme riadenia motora BLDC elektrického vozidla sa intenzita elektromagnetického rušenia po použití technológie náhodnej PWM znížila o viac ako 10 dB, čím sa účinne zlepšila elektromagnetická kompatibilita systému.

Poznámka: Pri použití technológie náhodnej PWM je potrebné plne zvážiť jej vplyv na prevádzkový výkon motora. V dôsledku náhodnej zmeny frekvencie sa môže zvýšiť pulzácia krútiaceho momentu motora. Podľa princípu dynamiky motora je potrebné prevádzkový stav motora monitorovať a upravovať v reálnom čase. Na zabezpečenie stabilnej prevádzky motora je možné použiť súčasné riadenie s uzavretou slučkou, riadenie s uzavretou slučkou otáčok a ďalšie stratégie.

2. Implementácia stratégií jemného štartu a jemného zastavenia

Princíp: V momente spustenia a zastavenia motora sa v dôsledku prudkej zmeny prúdu podľa zákona elektromagnetickej indukcie vytvorí silné elektromagnetické rušenie. Stratégie mäkkého štartu a mäkkého zastavenia riadia rýchlosť zmeny pracovného cyklu signálu PWM tak, aby sa prúd a napätie motora postupne menili podľa vopred určeného funkčného vzťahu, čím sa účinne znižuje elektromagnetické rušenie. Napríklad použitím exponenciálnej funkcie na riadenie zmeny pracovného cyklu môže byť zmena prúdu a napätia hladšia.

Špecifická prevádzka: Vo fáze spúšťania nastavte podľa charakteristík zaťaženia motora a požiadaviek systému vhodný čas spustenia, napríklad 1 s. Počas tohto obdobia sa pracovný cyklus signálu PWM postupne zvyšuje pomocou funkcie exponenciálneho stúpania, aby sa hnacie napätie motora neustále zvyšovalo. Vo fáze zastavenia je tiež nastavený čas zastavenia, napríklad 1,5 s, a pracovný cyklus signálu PWM sa postupne znižuje pomocou funkcie exponenciálneho znižovania, aby sa dosiahlo pomalé zastavenie motora. V systéme pohonu motora BLDC výťahu sa po prijatí stratégií mäkkého štartu a mäkkého zastavenia výrazne zníži elektromagnetické rušenie a zlepší sa plynulosť prevádzky výťahu.

Poznámka: Nastavenie času jemného rozbehu a jemného zastavenia je potrebné presne upraviť podľa charakteristík zaťaženia motora a aktuálneho scenára aplikácie. Ak je čas príliš krátky, elektromagnetické rušenie sa nedá účinne potlačiť; ak je čas príliš dlhý, ovplyvní to pracovnú účinnosť a rýchlosť odozvy motora. Optimálne časové parametre je možné určiť pomocou experimentálneho testovania a simulačnej analýzy.