วิธีการออกแบบและการใช้งาน EMC ของ BLDC Motor

หลักการ: ตามสมการของแมกซ์เวลล์สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีส่วนประกอบไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสลับกัน โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและการซึมผ่านของแม่เหล็ก เมื่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นบนชั้นป้องกันโลหะตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าสนามไฟฟ้าจะขับอิเล็กตรอนอิสระในโลหะเพื่อเคลื่อนที่ในทิศทางดังนั้นจึงสร้างกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ตามกฎของ Lenz สนามแม่เหล็กที่ตื่นเต้นกับกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้นตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กสัญญาณรบกวนเหตุการณ์และทั้งสองถูกซ้อนทับกันเพื่อชดเชยส่วนหนึ่งของสนามแม่เหล็กรบกวน ในเวลาเดียวกันตามเงื่อนไขขอบเขตของสนามไฟฟ้าชั้นการป้องกันโลหะสามารถตัดเส้นทางการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้าเพื่อให้ได้ผลการป้องกัน

การทำงานที่เฉพาะเจาะจง: ในกระบวนการผลิตมอเตอร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวัสดุโลหะผสมอลูมิเนียม (ซึ่งการนำไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 3.5 ×10⁷ s/m และการซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ใกล้เคียงกับ 1) และโลหะผสมเหล็ก และใช้เทคโนโลยีการปิดผนึกขั้นสูงเช่นการเชื่อมด้วยเลเซอร์, ยาแนวโลหะ ฯลฯ เพื่อลดช่องว่างและรูในเปลือกเพื่อป้องกันการรั่วไหลของสัญญาณรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ใช้มอเตอร์ BLDC ในอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมเป็นตัวอย่าง มันใช้เปลือกอลูมิเนียมอัลลอยด์ ผ่านเทคโนโลยีการประมวลผล CNC ที่แม่นยำช่องว่างที่ข้อต่อของเปลือกนั้นน้อยกว่า 0.1 มม. ซึ่งจะช่วยลดความเข้มของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับวงจรไดรฟ์ตามขนาดของแผงวงจรและความเข้มของการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าฝาครอบป้องกันโลหะที่มีความหนาที่เหมาะสมถูกเลือกเช่นฝาครอบป้องกันทองแดงที่มีความหนา 0.5-1 มม.

หมายเหตุ: ในกระบวนการออกแบบการป้องกันแนวทางการออกแบบความเข้ากันได้ของแม่เหล็กไฟฟ้าจะต้องปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัดเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของแหล่งสัญญาณรบกวนใหม่ระหว่างเลเยอร์ป้องกันที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นในระบบอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ตัวเรือนมอเตอร์และฝาครอบป้องกันวงจรไดรฟ์จะต้องเป็น AC ควบคู่ไปกับตัวเก็บประจุและอุปกรณ์แยกเช่น optocouplers ใช้สำหรับการแยกไฟฟ้าเพื่อป้องกันการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าใหม่ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น นอกจากนี้การต่อสายดินของชั้นป้องกันมีความสำคัญมาก ตามทฤษฎีการต่อสายดินมีความจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าความต้านทานต่อสายดินน้อยกว่า0.1Ωเพื่อให้ได้การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ

2. การสร้างระบบสายดินอย่างระมัดระวัง

หลักการ: ตามกฎของโอห์มและกฎของ Kirchhoff จุดประสงค์หลักของการต่อสายดินคือการให้เส้นทางกลับที่มีความต้านทานต่ำสำหรับกระแสไฟฟ้าเพื่อให้เปลือกโลหะของอุปกรณ์มีศักยภาพเช่นเดียวกับโลก สิ่งนี้ไม่เพียง แต่หลีกเลี่ยงแรงดันไฟฟ้าสูงที่เกิดจากการสะสมไฟฟ้าแบบคงที่และการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าจากการก่อให้เกิดอันตรายต่ออุปกรณ์และบุคลากร แต่ยังยับยั้งการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพตามหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นในอุปกรณ์ระบบการต่อสายดินสามารถแนะนำกระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำเข้าสู่โลกได้อย่างรวดเร็วซึ่งจะช่วยลดแรงไฟฟ้าที่เกิดจากอุปกรณ์

การทำงานที่เฉพาะเจาะจง: เปลือกโลหะของมอเตอร์เชื่อมต่อกับโลกผ่านสายดินโดยเฉพาะ ตามมาตรฐานการคำนวณความสามารถในการพกพาในปัจจุบันของสายไฟและสายเคเบิลพื้นที่หน้าตัดของสายดินจะต้องมีการคำนวณและเลือกอย่างแม่นยำตามกำลังที่กำหนดของมอเตอร์และกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุดที่อาจสร้างขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่ากำลังการผลิตกระแสไฟฟ้าเพียงพอ ในมอเตอร์ BLDC อุตสาหกรรมขนาด 5kW จะมีการเลือกลวดดินทองแดงที่มีพื้นที่หน้าตัด 6 มม. ²หลังจากการคำนวณเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการพกพาในปัจจุบันภายใต้กระแสไฟฟ้าลัดวงจร ในวงจรไดรฟ์เมื่อใช้แผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCB) ชั้นหนึ่งจะถูกกำหนดโดยเฉพาะเป็นระนาบพื้นดินและซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพ (เช่น Altium Designer) ใช้เพื่อจัดวาง Vias พื้นดินอย่างสมเหตุสมผล สำหรับชิ้นส่วนวงจรอะนาล็อกที่สำคัญบางอย่างเช่นวงจรการประมวลผลสัญญาณเซ็นเซอร์ตำแหน่งของมอเตอร์จะใช้วิธีการต่อสายดินแบบจุดเดียวเพื่อลดการรบกวนที่เกิดจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นกับพื้นดิน

หมายเหตุ: ระบบสายดินที่แตกต่างกันจะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดการออกแบบความเข้ากันได้ของแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างเคร่งครัดเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกัน ตัวอย่างเช่นในอุปกรณ์การแพทย์การต่อสายดินในปัจจุบันที่แข็งแกร่งและการต่อสายดินในปัจจุบันที่อ่อนแอจะต้องใช้ลำต้นที่มีสายดินอิสระและการเชื่อมต่อแบบ equipotential จะต้องทำที่บัสกราวด์เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการรบกวนในปัจจุบันที่แข็งแกร่งจากการเข้าสู่วงจรปัจจุบันที่อ่อนแอผ่านระบบกราวด์ ในเวลาเดียวกันตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง (เช่น GB 50169-2016 'การก่อสร้างอุปกรณ์การก่อสร้างและการยอมรับอุปกรณ์การติดตั้งและการยอมรับข้อมูลจำเพาะ ') ความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อสายดินจะได้รับการทดสอบเป็นประจำ

3. การกำหนดค่าที่เหมาะสมของตัวกรอง

หลักการ: การรบกวนที่ดำเนินการบนสายไฟส่วนใหญ่รวมถึงการรบกวนโหมดทั่วไปและการรบกวนโหมดที่แตกต่างกัน ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปใช้โครงสร้างพิเศษของการม้วนคู่ขนานสองสายเพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยกระแสโหมดทั่วไปในขดลวดทั้งสองจะซ้อนกันซึ่งกันและกันจึงนำเสนอลักษณะความต้านทานสูงต่อกระแสโหมดทั่วไปและยับยั้งการรบกวนโหมดทั่วไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวเก็บประจุโหมดต่างกันมีลักษณะความต้านทานต่ำไปยังกระแสโหมดต่างกันตามลักษณะการเกิดปฏิกิริยาแบบ capacitive ของตัวเก็บประจุ (x_c = frac {1} {2 pi fc}) และสามารถข้ามสัญญาณรบกวนความแตกต่าง ตัวกรอง Low-Pass บนสายส่งสัญญาณขึ้นอยู่กับลักษณะการตอบสนองความถี่ของวงจร LC โดยการเลือกพารามิเตอร์ของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุอย่างสมเหตุสมผลจะช่วยให้สัญญาณความถี่ต่ำผ่านและลดระดับสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การดำเนินการที่เฉพาะเจาะจง: ที่ปลายอินพุตพลังงานตามช่วงแรงดันไฟฟ้ากระแสและสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟซอฟต์แวร์การวิเคราะห์วงจร (เช่น PSPICE) สำหรับการคำนวณที่แม่นยำและเลือกตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปและตัวเก็บประจุโหมดต่าง ๆ ที่มีพารามิเตอร์ที่เหมาะสมเพื่อสร้างตัวกรอง ตัวอย่างเช่นสำหรับแหล่งจ่ายไฟอินพุต AC 220V, 50Hz AC, การเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำโหมดสามัญสามารถเลือกได้เป็น 5MH และความสามารถของตัวเก็บประจุโหมดต่างกันสามารถเลือกได้เป็น0.47μF ในแหล่งจ่ายไฟ BLDC Motor Drive ของเครื่องปรับอากาศในครัวเรือนหลังจากใช้ตัวกรองกับพารามิเตอร์นี้การรบกวนที่ดำเนินการบนสายไฟจะลดลงอย่างมากตามมาตรฐานความเข้ากันได้ของแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง ในสายส่งสัญญาณตามความถี่และแบนด์วิดท์ของสัญญาณทฤษฎีการออกแบบตัวกรองใช้ในการออกแบบตัวกรองผ่านผ่านด้วยความถี่คัตออฟที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่นสำหรับสายส่งสัญญาณ 1MHz ความถี่ cutoff ของตัวกรองต่ำผ่านถูกตั้งค่าเป็น 5MHz โดยการคำนวณซึ่งกรองสัญญาณสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หมายเหตุ: การเลือกพารามิเตอร์ของตัวกรองจะต้องจับคู่อย่างถูกต้องกับความต้านทานที่แท้จริงและลักษณะความถี่ของวงจรมิฉะนั้นผลการกรองที่คาดหวังอาจไม่สามารถทำได้ ในเวลาเดียวกันตำแหน่งการติดตั้งของตัวกรองมีความสำคัญ มีความจำเป็นที่จะต้องปฏิบัติตามหลักการของเส้นทางการแพร่กระจายสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่สั้นที่สุดพยายามที่จะอยู่ใกล้กับแหล่งสัญญาณรบกวนและวงจรป้องกันและลดการมีเพศสัมพันธ์ของสัญญาณรบกวนในระหว่างกระบวนการส่งสัญญาณ

หลักการ: ตามสูตรแรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าของมอเตอร์ t = k_ti (โดยที่ k_t เป็นค่าคงที่แรงบิดและฉันเป็นกระแส) ความถี่และวัฏจักรหน้าที่ของสัญญาณ PWM จะส่งผลโดยตรงต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ เมื่อความถี่ PWM สะท้อนกับความถี่ตามธรรมชาติหรือความถี่ที่ละเอียดอ่อนของวงจรอื่น ๆ ความเข้มการรบกวนจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามทฤษฎีการสั่นสะเทือน เทคโนโลยี PWM แบบสุ่มแนะนำลำดับการสุ่มหลอกเพื่อขัดขวางความถี่คงที่ของสัญญาณ PWM เพื่อให้พลังงานรบกวนกระจายอย่างสม่ำเสมอในช่วงความถี่ที่กว้างขึ้น ตามทฤษฎีความหนาแน่นของสเปกตรัมพลังงานมันจะช่วยลดความเข้มการรบกวนที่ความถี่เฉพาะได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การดำเนินการที่เฉพาะเจาะจง: เมื่อออกแบบอัลกอริทึมการควบคุม PWM ให้ใช้เครื่องมือวิเคราะห์สเปกตรัม (เช่นตัววิเคราะห์ FFT) เพื่อวิเคราะห์ความถี่ในการทำงานของวงจรอื่น ๆ ในระบบเพื่อกำหนดช่วงความถี่ PWM ที่เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงการทับซ้อนกับความถี่ที่ละเอียดอ่อน สำหรับเทคโนโลยี PWM แบบสุ่มเครื่องกำเนิดหมายเลขเทียม-แรนโดมตามการลงทะเบียนการส่งผลตอบรับเชิงเส้น (LFSR) จะใช้เพื่อสร้างสัญญาณควบคุมความถี่ที่แปรผันตามความถี่เพื่อให้ความถี่ของสัญญาณ PWM ผันผวนแบบสุ่มภายในช่วงความถี่ที่ตั้งไว้และช่วงความผันผวน ในระบบควบคุมมอเตอร์ BLDC ของยานพาหนะไฟฟ้าความเข้มการรบกวนของแม่เหล็กไฟฟ้าลดลงมากกว่า 10dB หลังจากใช้เทคโนโลยี PWM แบบสุ่มช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้ของแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพของระบบ

หมายเหตุ: เมื่อใช้เทคโนโลยี PWM แบบสุ่มผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์จะต้องได้รับการพิจารณาอย่างเต็มที่ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มของความถี่การเต้นแรงบิดของมอเตอร์อาจเพิ่มขึ้น ตามหลักการของการเปลี่ยนแปลงของมอเตอร์สถานะการทำงานของมอเตอร์จะต้องได้รับการตรวจสอบและปรับตามเวลาจริง การควบคุมวงปิดปัจจุบันการควบคุมวงปิดความเร็วและกลยุทธ์อื่น ๆ สามารถใช้เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานที่มั่นคงของมอเตอร์

2. การใช้กลยุทธ์การเริ่มต้นอ่อนและการหยุดแบบนุ่มนวล

หลักการ: ในขณะที่มอเตอร์เริ่มต้นและหยุดเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงที่คมชัดของกระแสตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่แข็งแกร่งจะถูกสร้างขึ้น กลยุทธ์การเริ่มต้นที่อ่อนนุ่มและการหยุดแบบนุ่ม ๆ ควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงรอบการทำงานของสัญญาณ PWM เพื่อให้กระแสและแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ค่อยๆเปลี่ยนไปตามความสัมพันธ์การทำงานที่กำหนดไว้ล่วงหน้าซึ่งจะช่วยลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่นการใช้ฟังก์ชั่นเอ็กซ์โปเนนเชียลเพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงรอบการทำงานสามารถทำให้การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าราบรื่นขึ้น

การดำเนินการเฉพาะ: ในขั้นตอนการเริ่มต้นตามลักษณะการโหลดของมอเตอร์และข้อกำหนดของระบบตั้งเวลาเริ่มต้นที่เหมาะสมเช่น 1s ในช่วงเวลานี้วัฏจักรหน้าที่ของสัญญาณ PWM จะค่อยๆเพิ่มขึ้นผ่านฟังก์ชั่นที่เพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขั้นตอนการหยุดเวลาหยุดยังถูกตั้งค่าเช่น 1.5s และวัฏจักรหน้าที่ของสัญญาณ PWM จะค่อยๆลดลงผ่านฟังก์ชั่นที่ลดลงแบบทวีคูณเพื่อให้ได้การหยุดช้าของมอเตอร์ ในระบบไดรฟ์มอเตอร์ BLDC ของลิฟต์หลังจากใช้กลยุทธ์การเริ่มต้นที่อ่อนนุ่มและการหยุดแบบอ่อนการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญและความเรียบของการทำงานของลิฟต์จะดีขึ้น

หมายเหตุ: การตั้งค่าเวลาของการเริ่มต้นที่อ่อนนุ่มและการหยุดอ่อนจะต้องปรับอย่างถูกต้องตามลักษณะการโหลดของมอเตอร์และสถานการณ์แอปพลิเคชันจริง หากเวลาสั้นเกินไปการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่สามารถระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากเวลายาวเกินไปมันจะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานและความเร็วในการตอบสนองของมอเตอร์ พารามิเตอร์เวลาที่เหมาะสมสามารถกำหนดได้ผ่านการทดสอบการทดสอบและการวิเคราะห์การจำลอง