Phương pháp thiết kế và thực hiện EMC của động cơ BLDC

Nguyên tắc: Theo phương trình của Maxwell, nhiễu điện từ lan truyền dưới dạng sóng điện từ, có chứa các thành phần điện trường và điện từ xen kẽ. Kim loại có độ dẫn điện cao và tính thấm từ tính. Khi nhiễu điện từ là sự cố trên lớp che chắn kim loại, theo luật cảm ứng điện từ, điện trường sẽ điều khiển các electron tự do trong kim loại để di chuyển theo cách định hướng, do đó tạo ra dòng điện cảm ứng. Theo luật của Lenz, từ trường bị kích thích bởi dòng điện cảm ứng ngược lại với từ trường nhiễu sự cố và cả hai được đặt chồng lên nhau để bù một cách hiệu quả một phần của từ trường nhiễu; Đồng thời, theo các điều kiện biên của điện trường, lớp che chắn kim loại có thể cắt đứt đường truyền của điện trường, do đó đạt được hiệu ứng che chắn.

Hoạt động cụ thể: Trong quy trình sản xuất động cơ, dựa trên các tính chất điện từ của vật liệu, hợp kim nhôm (có độ dẫn điện là khoảng 3,5 × 10⁷ s/m và tính thấm từ tương đối gần với 1) và có thể sử dụng được từ tính từ tính cao). Và áp dụng công nghệ niêm phong tiên tiến, chẳng hạn như hàn laser, chất bịt kín kim loại, v.v., để giảm thiểu các khoảng trống và lỗ hổng trong vỏ để ngăn chặn rò rỉ nhiễu điện từ. Lấy động cơ BLDC trong một thiết bị tự động hóa công nghiệp làm ví dụ. Nó sử dụng vỏ hợp kim nhôm. Thông qua công nghệ xử lý CNC chính xác, khoảng cách tại khớp của vỏ nhỏ hơn 0,1mm, giúp giảm hiệu quả cường độ của bức xạ điện từ. Đối với mạch ổ đĩa, theo kích thước của bảng mạch và cường độ của nhiễu điện từ, một nắp che chắn bằng kim loại với độ dày thích hợp được chọn, chẳng hạn như nắp che chắn bằng đồng với độ dày 0,5-1mm, và mảnh đạn kim loại được hàn bởi công nghệ gắn bề mặt (SMT) để đảm bảo rằng nắp điện có kết nối dây điện có độ lệch thấp.

Lưu ý: Trong quy trình thiết kế che chắn, các hướng dẫn thiết kế tương thích điện từ phải được tuân thủ nghiêm ngặt để tránh sự hình thành các nguồn nhiễu mới giữa các lớp che chắn khác nhau. Ví dụ, trong các hệ thống điện tử ô tô, vỏ động cơ và nắp che chắn mạch ổ đĩa cần phải được ghép nối thông qua các tụ điện và các thiết bị cách ly như optocoupler được sử dụng để cách ly điện để ngăn chặn nhiễu điện từ mới do hiện tại tạo ra bởi sự khác biệt tiềm năng. Ngoài ra, nền tảng của lớp che chắn là rất quan trọng. Theo lý thuyết nối đất, cần phải đảm bảo rằng điện trở nối đất nhỏ hơn 0,1Ω để đạt được sự che chắn điện từ hiệu quả.

2. Xây dựng cẩn thận hệ thống nối đất

Nguyên tắc: Theo luật của Ohm và luật của Kirchhoff, mục đích cốt lõi của việc nối đất là cung cấp một con đường trở lại áp dụng thấp cho hiện tại, do đó vỏ kim loại của thiết bị có tiềm năng tương tự như Trái đất. Điều này không chỉ có thể tránh được điện áp cao gây ra bởi sự tích tụ điện tĩnh và cảm ứng điện từ gây hại cho thiết bị và nhân sự, mà còn triệt tiêu hiệu quả sự can thiệp điện từ dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi cảm ứng điện từ xảy ra trong thiết bị, hệ thống nối đất có thể nhanh chóng đưa dòng điện cảm ứng vào trái đất, do đó làm giảm lực điện động cảm ứng trên thiết bị.

Hoạt động cụ thể: Vỏ kim loại của động cơ được kết nối với trái đất thông qua một dây nối đất chuyên dụng. Theo tiêu chuẩn tính toán công suất hiện tại của dây và dây cáp, diện tích mặt cắt ngang của dây nối đất cần được tính toán chính xác và chọn theo công suất định mức của động cơ và dòng điện ngắn tối đa có thể được tạo ra để đảm bảo đủ khả năng mang. Trong động cơ BLDC công nghiệp 5kW, một dây nối đất bằng đồng với diện tích cắt ngang là 6 mm² được chọn sau khi tính toán để đáp ứng các yêu cầu mang theo hiện tại trong dòng điện ngắn mạch. Trong mạch ổ đĩa, khi sử dụng bảng mạch in nhiều lớp (PCB), một lớp được định nghĩa cụ thể là mặt phẳng mặt đất và phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp (như Altium Designer) được sử dụng để bố trí hợp lý VIAS để đảm bảo rằng các chân đất của mỗi thành phần có thể được kết nối với mặt phẳng mặt đất gần đó. Đối với một số bộ phận mạch tương tự quan trọng, chẳng hạn như mạch xử lý tín hiệu cảm biến vị trí của động cơ, một phương pháp nối đất một điểm được sử dụng để giảm hiệu quả sự can thiệp do sự khác biệt tiềm năng mặt đất.

Lưu ý: Các hệ thống nối đất khác nhau phải tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật thiết kế tương thích điện từ để tránh nhiễu lẫn nhau. Ví dụ, trong các thiết bị y tế, mặt đất hiện tại mạnh và mặt đất hiện tại yếu phải sử dụng các thân nối đất độc lập và các kết nối đẳng thế phải được thực hiện tại xe buýt nối đất để ngăn chặn sự can thiệp của dòng điện mạnh vào mạch hiện tại yếu qua hệ thống nối đất. Đồng thời, theo các tiêu chuẩn có liên quan (chẳng hạn như GB 50169-2016 'Kỹ thuật lắp đặt điện nền xây dựng thiết bị nối đất và thông số kỹ thuật chấp nhận '), độ tin cậy của kết nối nối đất thường được kiểm tra để đảm bảo rằng khả năng chống nối đất luôn được duy trì trong phạm vi cụ thể.

3. Cấu hình hợp lý của bộ lọc

Nguyên tắc: Sự can thiệp được thực hiện trên đường dây điện chủ yếu bao gồm nhiễu chế độ chung và nhiễu chế độ vi sai. Cấu trúc chế độ chung sử dụng cấu trúc đặc biệt của cuộn dây song song hai dây để tạo ra từ thông được tạo ra bởi dòng điện phổ biến trong hai cuộn dây tăng cường nhau, do đó trình bày một đặc tính trở kháng cao đối với dòng điện phổ biến và giải phóng hiệu quả sự can thiệp của chế độ chung; Tụ điện ở chế độ vi sai có đặc tính trở kháng thấp với dòng điện chế độ vi sai dựa trên đặc tính phản ứng điện dung của tụ điện (x_c = frac {1} {2 pi fc}) và có thể bỏ qua tín hiệu nhiễu vi sai tần số cao. Bộ lọc thông thấp trên đường truyền tín hiệu dựa trên các đặc tính đáp ứng tần số của mạch LC. Bằng cách chọn hợp lý các tham số của cuộn cảm và tụ điện, nó cho phép các tín hiệu tần số thấp đi qua và làm giảm hiệu quả các tín hiệu giao thoa tần số cao.

Hoạt động cụ thể: Ở đầu đầu vào công suất, theo điện áp, dòng điện và tần số nhiễu của nguồn điện, phần mềm phân tích mạch sử dụng (như PSPICE) để tính toán chính xác và chọn cuộn cảm chế độ chung và tụ điện vi sai với các tham số thích hợp để tạo thành bộ lọc. Ví dụ, đối với nguồn điện đầu vào AC 220V, 50Hz, độ tự cảm của cuộn cảm chế độ chung có thể được chọn là 5MH và công suất của tụ điện chế độ vi sai có thể được chọn là 0,47μF. Trong nguồn điện truyền động động cơ BLDC của máy điều hòa không khí gia đình, sau khi sử dụng bộ lọc với tham số này, sự can thiệp được thực hiện trên đường dây điện bị giảm đáng kể, đáp ứng các tiêu chuẩn tương thích điện từ có liên quan. Trên đường truyền tín hiệu, theo tần số và băng thông của tín hiệu, lý thuyết thiết kế bộ lọc được sử dụng để thiết kế bộ lọc thông thấp với tần số cắt phù hợp. Ví dụ, đối với đường truyền tín hiệu 1MHz, tần số cắt của bộ lọc thông thấp được đặt thành 5 MHz bằng cách tính toán, trong đó lọc hiệu quả các tín hiệu nhiễu tần số cao.

Lưu ý: Việc lựa chọn tham số của bộ lọc phải được khớp chính xác với các đặc điểm trở kháng và tần số thực tế của mạch, nếu không hiệu ứng lọc dự kiến ​​có thể không đạt được. Đồng thời, vị trí cài đặt của bộ lọc là rất quan trọng. Cần tuân theo nguyên tắc của đường truyền nhiễu điện từ ngắn nhất, cố gắng gần với nguồn giao thoa và mạch được bảo vệ và giảm sự kết hợp của tín hiệu nhiễu trong quá trình truyền.

Nguyên tắc: Theo công thức mô -men xoắn điện từ của động cơ t = k_ti (trong đó k_t là hằng số mô -men xoắn và tôi là dòng điện), tần số và chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ thay đổi hiện tại và điện áp của động cơ, do đó tạo ra sự can thiệp điện từ của các độ lệch khác nhau. Khi tần số PWM cộng hưởng với tần số tự nhiên hoặc tần số nhạy cảm của các mạch khác, cường độ nhiễu sẽ tăng theo cấp số nhân theo lý thuyết rung. Công nghệ PWM ngẫu nhiên giới thiệu một chuỗi giả ngẫu nhiên để phá vỡ tần số cố định của tín hiệu PWM, do đó năng lượng nhiễu được phân phối đều trong dải tần số rộng hơn. Theo lý thuyết mật độ phổ công suất, nó làm giảm hiệu quả cường độ nhiễu ở một tần số cụ thể.

Hoạt động cụ thể: Khi thiết kế thuật toán điều khiển PWM, sử dụng các công cụ phân tích phổ (như máy phân tích FFT) để phân tích toàn diện các tần số hoạt động của các mạch khác trong hệ thống để xác định dải tần PWM hợp lý để tránh sự chồng chéo với tần số nhạy. Đối với công nghệ PWM ngẫu nhiên, bộ tạo số giả ngẫu nhiên dựa trên thanh ghi dịch chuyển phản hồi tuyến tính (LFSR) được sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển thay đổi tần số, do đó tần số của tín hiệu PWM dao động ngẫu nhiên trong phạm vi tần số được đặt và phạm vi dao động thường có thể được đặt thành 15%. Trong hệ thống điều khiển động cơ BLDC của xe điện, cường độ nhiễu điện từ đã giảm hơn 10dB sau khi công nghệ PWM ngẫu nhiên được sử dụng, cải thiện hiệu quả khả năng tương thích điện từ của hệ thống.

Lưu ý: Khi sử dụng công nghệ PWM ngẫu nhiên, tác động của nó đối với hiệu suất hoạt động của động cơ phải được xem xét đầy đủ. Do sự thay đổi ngẫu nhiên của tần số, xung mô -men xoắn của động cơ có thể tăng lên. Theo nguyên tắc động lực động cơ, trạng thái hoạt động của động cơ cần được theo dõi và điều chỉnh trong thời gian thực. Điều khiển vòng kín hiện tại, điều khiển vòng kín tốc độ và các chiến lược khác có thể được sử dụng để đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ.

2. Thực hiện các chiến lược dừng lại và dừng mềm mại

Nguyên tắc: Tại thời điểm khởi động và dừng động cơ, do sự thay đổi mạnh mẽ của dòng điện, theo luật của cảm ứng điện từ, nhiễu điện từ mạnh sẽ được tạo ra. Các chiến lược khởi động mềm và các chiến lược dừng mềm kiểm soát tốc độ thay đổi chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM để dòng điện và điện áp của động cơ thay đổi dần theo mối quan hệ chức năng được xác định trước, do đó làm giảm hiệu quả nhiễu điện từ. Ví dụ, sử dụng hàm hàm mũ để kiểm soát thay đổi chu kỳ nhiệm vụ có thể làm cho sự thay đổi của dòng điện và điện áp mượt mà hơn.

Hoạt động cụ thể: Trong giai đoạn khởi động, theo các đặc tính tải của động cơ và các yêu cầu hệ thống, đặt thời gian khởi động phù hợp, chẳng hạn như 1S. Trong giai đoạn này, chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM được tăng dần thông qua chức năng tăng theo cấp số nhân để làm cho điện áp ổ đĩa tăng đều đặn. Trong giai đoạn dừng, thời gian dừng cũng được đặt, chẳng hạn như 1,5 và chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu PWM dần dần giảm qua chức năng giảm theo cấp số nhân để đạt được điểm dừng chậm của động cơ. Trong hệ thống truyền động động cơ BLDC của thang máy, sau khi áp dụng các chiến lược dừng khởi động và mềm mềm, nhiễu điện từ giảm đáng kể và độ mịn của hoạt động thang máy được cải thiện.

LƯU Ý: Cài đặt thời gian của khởi động mềm và điểm dừng mềm cần được điều chỉnh chính xác theo các đặc tính tải của động cơ và kịch bản ứng dụng thực tế. Nếu thời gian quá ngắn, nhiễu điện từ không thể bị ức chế một cách hiệu quả; Nếu thời gian quá dài, nó sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc và tốc độ phản ứng của động cơ. Các tham số thời gian tối ưu có thể được xác định thông qua thử nghiệm thử nghiệm và phân tích mô phỏng.