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EMI干擾源之電機(jī)原理分析
發(fā)布時(shí)間:2019-09-11 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電磁干擾(EMI)是系統(tǒng)上的電磁噪聲的輻射或感應(yīng)。與大多數(shù)電磁電路組件一樣,電機(jī)是EMI的常見來(lái)源。它們是潛在的噪聲源,可以產(chǎn)生共模電流。EMI可能導(dǎo)致性能下降,數(shù)據(jù)損壞,或者如果足夠強(qiáng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。而電機(jī)就是主要的干擾源之一,在電機(jī)工作的情況下,存在輻射和傳導(dǎo)發(fā)射問題,干擾源分別來(lái)自磁源和電源。
1 有刷電機(jī)的工作原理
有刷電機(jī)是大家最早接觸的一類電機(jī),中學(xué)時(shí)物理課堂上介紹電動(dòng)機(jī)也是以它為模型來(lái)展示的。有刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷,通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,從而輸出動(dòng)能。電刷與換向器不斷接觸摩擦,在轉(zhuǎn)動(dòng)中起到導(dǎo)電和換相作用。
有刷電機(jī)采用機(jī)械換向,磁極不動(dòng),線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時(shí),線圈和換向器旋轉(zhuǎn),磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn),線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換相器和電刷來(lái)完成的。
在有刷電機(jī)中,這個(gè)過程是將各組線圈的兩個(gè)電源輸入端,依次排成一個(gè)環(huán),相互之間用絕緣材料分隔,組成一個(gè)象圓柱體的東西,與電機(jī)軸連成一體,電源通過兩個(gè)碳元素做成的小柱子(碳刷),在彈簧壓力的作用下,從兩個(gè)特定的固定位置,壓在上面線圈電源輸入環(huán)狀圓柱上的兩點(diǎn),給一組線圈通電。
隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),不同時(shí)刻給不同線圈或同一個(gè)線圈的不同的兩極通電,使得線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個(gè)適合的角度差,磁場(chǎng)異性相吸、同性相斥,產(chǎn)生力量,推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。碳電極在線圈接線頭上滑動(dòng),象刷子在物體表面刷,因此叫碳“刷”。
相互滑動(dòng),會(huì)摩擦碳刷,造成損耗,需要定期更換碳刷;碳刷與線圈接線頭之間通斷交替,會(huì)發(fā)生電火花,產(chǎn)生電磁破,干擾電子設(shè)備。
2 無(wú)刷電機(jī)工作原理
無(wú)刷電機(jī)中,換相的工作交由控制器中的控制電路(一般為霍爾傳感器+控制器,更先進(jìn)的技術(shù)是磁編碼器)來(lái)完成。
無(wú)刷電機(jī)采取電子換向,線圈不動(dòng),磁極旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷電機(jī),是使用一套電子設(shè)備,通過霍爾元件,感知永磁體磁極的位置,根據(jù)這種感知,使用電子線路,適時(shí)切換線圈中電流的方向,保證產(chǎn)生正確方向的磁力,來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。消除了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)。
這些電路,就是電機(jī)控制器。無(wú)刷電機(jī)的控制器,還可以實(shí)現(xiàn)一些有刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的功能,比如調(diào)整電源切換角,制動(dòng)電機(jī),使電機(jī)反轉(zhuǎn),鎖住電機(jī),利用剎車信號(hào),停止給電機(jī)供電?,F(xiàn)在電瓶車的電子報(bào)警鎖,就充分利用了這些功能。
無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的,所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組,也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。
3 有刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)調(diào)速方式的區(qū)別
實(shí)際上兩種電機(jī)的控制都是調(diào)壓,只是由于無(wú)刷直流采用了電子換向,所以要有數(shù)字控制才可以實(shí)現(xiàn)了,而有刷直流是通過碳刷換向的,利用可控硅傳統(tǒng)模擬電路都可以控制,比較簡(jiǎn)單。
1、有刷馬達(dá)調(diào)速過程是調(diào)整馬達(dá)供電電源電壓的高低。調(diào)整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉(zhuǎn)換,改變電極產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱,達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。這一過程被稱之為變壓調(diào)速。
2、無(wú)刷馬達(dá)調(diào)速過程是馬達(dá)的供電電源的電壓不變,改變電調(diào)的控制信號(hào),通過微處理器再改變大功率MOS管的開關(guān)速率,來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。這一過程被稱之為變頻調(diào)速。
4 性能差別
TI的一個(gè)介紹視頻關(guān)于有刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)的對(duì)比,如下圖所示,很完整。
1. 有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)時(shí)間久、技術(shù)成熟
早在十九紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候,產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無(wú)刷形式,即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),這種電動(dòng)機(jī)在交流電產(chǎn)生以后得到了廣泛的應(yīng)用。但是,異步電動(dòng)機(jī)有許多無(wú)法克服的缺陷,以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。尤其是直流無(wú)刷電機(jī)一直無(wú)法投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),伴隨著電子技術(shù)的日新月異,直至近幾年才慢慢投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),就其實(shí)質(zhì)來(lái)說依然屬于交流電機(jī)范疇。
無(wú)刷電機(jī)誕生不久,人們就發(fā)明了直流有刷電機(jī)。由于直流有刷電機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)加工容易,維修方便,容易控制;直流電機(jī)還具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能,所以一經(jīng)問世就得到了廣泛應(yīng)用。
2. 直流有刷電機(jī)響應(yīng)速度快,起動(dòng)扭矩大
直流有刷電機(jī)起動(dòng)響應(yīng)速度快,起動(dòng)扭矩大,變速平穩(wěn),速度從零到最大幾乎感覺不到振動(dòng),起動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)更大的負(fù)荷。無(wú)刷電機(jī)起動(dòng)電阻大(感抗),所以功率因素小,起動(dòng)扭矩相對(duì)較小,起動(dòng)時(shí)有嗡嗡聲,并伴隨著強(qiáng)烈震動(dòng),起動(dòng)時(shí)帶動(dòng)負(fù)荷較小。
3. 直流有刷電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),起、制動(dòng)效果好
有刷電機(jī)是通過調(diào)壓調(diào)速,所以起動(dòng)和制動(dòng)平穩(wěn),恒速運(yùn)行時(shí)也平穩(wěn)。無(wú)刷電機(jī)通常是數(shù)字變頻控制,先將交流變成直流,直流再變成交流,通過頻率變化控制轉(zhuǎn)速,所以無(wú)刷電機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)運(yùn)行不平穩(wěn),振動(dòng)大,只有在速度恒定時(shí)才會(huì)平穩(wěn)。
4. 直流有刷電機(jī)控制精度高
直流有刷電機(jī)通常和減速箱、譯碼器一起使用,使的電機(jī)的輸出功率更大,控制精度更高,控制精度可以達(dá)到0.01毫米,幾乎可以讓運(yùn)動(dòng)部件停在任何想要的地方。所有精密機(jī)床都是采用直流電機(jī)控制精度。無(wú)刷電機(jī)由于在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)不平穩(wěn),所以運(yùn)動(dòng)部件每次都會(huì)停到不同的位置上,必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。
5. 直流有刷電機(jī)使用成本低,維修方便。由于直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低,生產(chǎn)廠家多,技術(shù)比較成熟,所以應(yīng)用也比較廣泛,比如工廠、加工機(jī)床、精密儀器等,如果電機(jī)故障,只需更換碳刷即可,每個(gè)碳刷只需要幾元,非常便宜。無(wú)刷電機(jī)技術(shù)不成熟,價(jià)格較高,應(yīng)用范圍有限,主要應(yīng)在恒速設(shè)備上,比如變頻空調(diào)、冰箱等,無(wú)刷電機(jī)損壞只能更換。
6. 無(wú)電刷、低干擾
無(wú)刷電機(jī)去除了電刷,最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花,這樣就極大減少了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。
7. 噪音低,運(yùn)轉(zhuǎn)順暢
無(wú)刷電機(jī)沒有了電刷,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小,運(yùn)行順暢,噪音會(huì)低許多,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。
8. 壽命長(zhǎng),低維護(hù)成本
少了電刷,無(wú)刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了,從機(jī)械角度看,無(wú)刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了,必要的時(shí)候,只需做一些除塵維護(hù)即可。
5 無(wú)刷電機(jī)控制原理
電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或者停止,以及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分也叫做電子調(diào)速器,簡(jiǎn)稱電調(diào),英文electronic speed controller(ESC)。電調(diào)對(duì)應(yīng)使用的電機(jī)不同,分無(wú)刷電調(diào)和有刷電調(diào)。
有刷電機(jī)的永磁體是固定不動(dòng)的,線圈繞在轉(zhuǎn)子上,通過一個(gè)電刷跟換相器接觸間斷來(lái)改變磁場(chǎng)方向來(lái)保持轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)刷電機(jī),顧名思義,這種電機(jī)是沒有所謂的電刷和換相器的,他的轉(zhuǎn)子是永磁體,而線圈是固定不動(dòng)的,直接接到外部電源,問題就來(lái)了,線圈磁場(chǎng)方向怎么改變呢?事實(shí)上,無(wú)刷電機(jī)外部還需要一個(gè)電子調(diào)速器,這個(gè)調(diào)速器說白了就是一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),它隨時(shí)都在改變著固定線圈內(nèi)部電流的方向,保證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥,持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)得以延續(xù)。
刷電機(jī)工作可以不需要電調(diào),直接把電供給電機(jī)就能夠工作,但是這樣無(wú)法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷電機(jī)工作必須要有電調(diào),否則是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的。必須通過無(wú)刷電調(diào)將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電,輸給無(wú)刷電機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。
最早的電調(diào)可不是像現(xiàn)在的電調(diào)一樣,最早全是有刷電調(diào),說道這你可能要問了,什么是有刷電調(diào),和現(xiàn)在的無(wú)刷電調(diào)有什么區(qū)別。事實(shí)上這差別呀可大了去了,有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)都是根據(jù)電機(jī)來(lái)說的,現(xiàn)在電機(jī)的轉(zhuǎn)子,就是能轉(zhuǎn)動(dòng)的部分全是磁鐵塊,線圈是定子不轉(zhuǎn)動(dòng)的,因?yàn)檫@中間沒有碳刷,這就是無(wú)刷電機(jī)。而有刷電機(jī)呢,顧名思義就是有碳刷,所以就是有刷電機(jī),像我們平常小孩子玩的一二十塊錢的遙控車用的電機(jī)就是有刷電機(jī)。電調(diào)就是根據(jù)這兩種電機(jī)而命名的有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)。從專業(yè)的角度來(lái)講呢就是有刷電調(diào)就是輸出時(shí)直流電,無(wú)刷電調(diào)輸出是三相交流電。直流電就是我們電池里存儲(chǔ)的電,有正負(fù)極之分,我們家用220V的,用于手機(jī)充電器或者電腦的電源都是交流電。交流電就是帶有一定的頻率,通俗講就是一根線上正負(fù)、正負(fù)的來(lái)回交換著;直流電就是正極是正極,負(fù)極是負(fù)極。交流直流弄清楚了,那么什么又是“三相機(jī)”呢?理論講三相交流電是電的一種傳輸形式,簡(jiǎn)稱三相電,是由3個(gè)頻率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流電勢(shì)組成的電源。通俗的講,就是我們家用的三項(xiàng)交流電,除了電壓、頻率、驅(qū)動(dòng)角不同,其他都一樣,現(xiàn)在對(duì)于三相電和直流電都了解了吧。
無(wú)刷電調(diào),輸入的是直流電,通過一個(gè)濾波電壓穩(wěn)定電壓。然后分成倆兩路,一路是電調(diào)的BEC使用,BEC是給接收機(jī)與電調(diào)自身單片機(jī)供電使用的,輸出至接收機(jī)的電源線就是信號(hào)線上的紅線和黑線,另一路是介入MOS管使用,在這里,電調(diào)上電,單片機(jī)開始啟動(dòng),驅(qū)動(dòng)MOS管震動(dòng),使電機(jī)發(fā)出滴滴滴的聲音。啟動(dòng)后待命,有些電調(diào)帶有油門校準(zhǔn)功能,在進(jìn)入待命前會(huì)監(jiān)測(cè)油門位置是在高還是低還是中間,高的話進(jìn)入電調(diào)行程校準(zhǔn),中間的話開始發(fā)出報(bào)警信號(hào),電機(jī)會(huì)滴滴的響,低的話會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。一切準(zhǔn)備就緒后,電調(diào)內(nèi)的單片機(jī)會(huì)根據(jù)PWM信號(hào)線上的信號(hào)決定輸出電壓的大小和頻率的高低以及驅(qū)動(dòng)方向和進(jìn)角多少來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)向。這就是無(wú)刷電調(diào)原理。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候,電調(diào)內(nèi)共有3組MOS管工作,每組2個(gè)極,一個(gè)控制正極輸出,一個(gè)控制負(fù)極輸出,當(dāng)正極輸出時(shí),負(fù)極不輸出,負(fù)極輸出時(shí),正極不輸出,這樣子也就形成了交流電,同樣,三組都是這樣工作的,它們的頻率是8000HZ。講到這,無(wú)刷電調(diào)也相當(dāng)于一個(gè)工廠里電機(jī)上使用的變頻器或者調(diào)速器。
電調(diào)的輸入是直流,通常由鋰電池來(lái)供電。輸出是三相交流,可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。另外航模無(wú)刷電子調(diào)速器還有三根信號(hào)輸入線,輸入PWM信號(hào),用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于航模,尤其是四軸飛行器,由于其特殊性,需要專門的航模電調(diào)。
那么為什么在四軸飛行器上需要專門的電調(diào)呢,其有什么特別的地方?四軸飛行器有四個(gè)槳,兩兩相對(duì)呈十字交叉結(jié)構(gòu)。在槳的轉(zhuǎn)向上分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),這樣可抵消單個(gè)槳葉旋轉(zhuǎn)引起的自旋問題。每個(gè)槳的直徑很小,四個(gè)槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力是分散的。不像直機(jī)的槳,只有一個(gè)能產(chǎn)生集中的離心力形成陀螺性質(zhì)的慣性離心力,保持機(jī)身不容易很快的側(cè)翻掉。所以通常用到的舵機(jī)控制信號(hào)更新頻率很低。
四軸為了能夠快速反應(yīng),以應(yīng)對(duì)姿態(tài)變化引起的飄移,需要高反應(yīng)速度的電調(diào),常規(guī)PPM電調(diào)的更新速度只有50Hz左右,滿足不了這種控制所需要的速度,且PPM電調(diào)MCU內(nèi)置PID穩(wěn)速控制,能對(duì)常規(guī)航模提供順滑的轉(zhuǎn)速變化特性,用在四軸上就不合適了,四軸需要的是快速反應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。用高速專用電調(diào),IIC總線接口傳送控制信號(hào),可達(dá)到每秒幾百上千次的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化,在四軸飛行時(shí),姿態(tài)時(shí)刻能夠保持穩(wěn)定。即使受到外力突然沖擊,依舊安然無(wú)恙。
EMC是電子行業(yè)的一個(gè)重要領(lǐng)域,具有嚴(yán)格的法規(guī),電機(jī)是EMI的重要來(lái)源。希望此文能加深廣大工程們對(duì)電機(jī)的理解,提前采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)抑制EMI。
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