Минимизирање на шумот во вашиот систем со еднонасочен мотор со четки

Ако некогаш сте работеле машина погонета од чекорен ДЦ мотор и забележале досаден жужок, бучава или електрично пресметување, веќе го разбирате зошто минимизирањето на бучавата е една од најважните инженерски предизвици во дизајнирањето на моторските системи. Бучавата во системот со еднонасочен мотор со четки не е само акустична досада — таа може да наруши соседни електронски уреди, да ја намали квалитетот на сигналот во чувствителни инструменти, да го скрати векот на траење на компонентите и да предизвика проблеми со соодветноста во регулирани средини. Разбирањето на основните причини за таа бучава и знаењето како систематски да се справите со неа е суштинско за секого кој дизајнира, интегрира или одржува примена на еднонасочен мотор со четки.

Добарата вест е дека повеќето проблеми со бучавата во чекорен ДЦ мотор системите се предвидливи, дијагностички и поправливи со правилната комбинација на механички, електрични и апликациски стратегии. Ова статија ги разгледува главните извори на шум, објаснува како се пројавува секој тип шум и нуди практични техники за потиснување на шумот на секојо ниво на системот — од самиот мотор до напојниот извор, распоредот на жиците и врската со товарот. Дали работите со мала уредба за хоби или со индустријален јазличен еднонасочен мотор со висок број циклуси, овие принципи конзистентно се примениваат во сите случаи.

Разбирање на изворите на шум во јазличен еднонасочен мотор

Искрување при комутација и електричен шум

Одлика на секоја електромотор со директна струја и четкички систем е нејзиниот комутатор и четкички агрегат, кој исто така е главен генератор на електричен шум. Додека четките се лизгаат по сегментите на комутаторот, тие прекинуваат и повторно воспоставуваат текот на струјата во намотките на арматурата со висока фреквенција. Ова повторувано превклучување создава напонски врвови и премински импулси кои се шират наназад низ линиите на напојување и се испуштаат како електромагнетно заемно дејство (EMI).

Тежината на искрите при комутација зависи од неколку взаемно поврзани променливи: материјалот на четките и притисокот на пружините, состојбата на површината на комутаторот, индуктивноста на арматурата и брзината со која мора да се превклучува струјата. Еден износен или погрешно поравнет електромотор со директна струја и четкички систем обично произведува значително повеќе искри отколку добро одржан уред кој работи во рамките на неговите номинални параметри. Дури и минималното жлебирање на комутаторот може да ја зголеми контактната отпорност неравномерно, што го влошува шаблонот на преминските врвови.

Електричниот шум генериран на комутаторот се класифицира како спроведен ЕМИ (што патува низ жиците) и зрачен ЕМИ (емитиран како електромагнетни бранови). И двата типа можат да влијаат врз соседната електроника, да ја намалат верноста на сигналот од енкодерот, да предизвикаат лажно активирање во контролниот коловод и да внесат рипли во регулираните напојници. Решавањето на овој шум на изворот — интерфејсот на комутацијата — секогаш е најефективниот прв чекор пред примена на филтрирање надолу по коловодот.

Механичка вибрација и акустичен шум

Понатаму од електричниот шум, еднонасочниот мотор со четки исто така произведува механичка вибрација и слушлив звук преку неколку физички патишта. Четките шум („brush chatter“) е еден од најчестите причинители: кога четките скачаат преку неравнините на површината на комутаторот, тие генерираат ритмична механичка вибрација која се пренесува низ корпусот на моторот и во структурата за монтирање. Оваа вибрација може да возбуди резонантни фреквенции во шасијата или рамката, значително зголемувајќи го перципираниот шум.

Носечката износување и деградација на мазивот исто така се значајни придонесувачи. Брушен директен струен мотор кој работи под неправилна поравнување, прекомерен радијален товар или со деградирано мазиво за лежишта ќе произведе карактеристичен високофреквентен свиркање или тркање звук. Овој тип шум често се зголемува со брзината на ротација и е доверлив ран индикатор за предстојно оштетување на лежиштата. Рано идентификување преку рутинско мониторирање на вибрациите спречува скапи неплански простој.

Небалансираноста на арматурата воведува уште еден пат на механички шум. Ако ротирачката маса на арматурата на брушен директен струен мотор не е правилно балансирана, таа создава ротирачка сила на небаланс на основната фреквенција на ротација. Ова се појавува како вибрации на 1x RPM и, кога се пренесува на товарот преку крута спојка или погрешно дизајниран погонски систем, може да генерира изненадувачки силни структурни шумови дури и при умерени брзини.

Електрични техники за потиснување на шумот од брушен директен струен мотор

Кондензатори и RC-потисници на терминалите на моторот

Наједноставниот и најчесто користен пристап за потиснување на спроведената ЕМИ во коло со еднонасочен мотор со четки е примена на отклонски кондензатори директно преку терминалите на моторот. Керамичкиот кондензатор со капацитет од 0,1 µF до 0,47 µF, поставен што е можно поблиску до терминалите на еднонасочниот мотор со четки, обезбедува пат со ниска импеданса кон земјата за високочестотни привремени врвови, спречувајќи ги да се враќаат назад во напојниот извор или во контролно-регулационата електроника.

За по захтевни примени, RC гасител — отпорник и кондензатор поврзани во низа преку моторските терминали — обезбедува подобро гасење на индуктивните напонски врвови кои се јавуваат кога контактот со четките привремено се прекинува. Отпорникот спречува кондензаторот да дејствува како чисто реактивно оптоварување, што инаку би можело да предизвика резонанција или осцилација на одредени фреквенции. RC гасителите се особено корисни кога еднонасочниот мотор со четки се комутира често со PWM контролер, бидејќи комутациониот сигнал природно дополнително напрега комутациониот интерфејс.

Додатно, ставањето на мали индуктори (феритни зрна или намотани отпорници) во низа со секој моторски водич делува како филтер за високи фреквенции кој ги блокира ширењето на премински врвови без влијание врз струјата на директен ток во работен режим. Комбинацијата од серијски отпорник на секој водич и шунт кондензатор кон земја формира LC нискофреквентен филтер — една од најефективните конфигурации за контрола на ЕМИ кај еднонасочни мотори со четки во апликации со ограничено просторно решение.

Заштита, заземјување и распоред на жиците

Зрачниот ЕМИ од една еднонасочна струја со четки може значително да се намали со соодветни практики за заштита и заземјување. Кабли за мотори со заштита, каде што оплетката или фолијата-заштита се поврзуваат со каросеријата на моторот само на еден крај, спречуваат зрачното поле да се спрегне со соседните кабли за сигнали. Критично е поврзувачката точка на заштитата со земја да биде на една единствена точка — обично на крајот на контролерот — за да се избегнат петли за заземјување кои всушност можат да го влошат шумот што се инжектира во чувствителните кола.

Физичкото одвојување помеѓу каблите за напојување на моторот со четки и нисконапонските линии за сигнали е една од најефикасните мерки за намалување на шумот по цена. Повлекувањето на кабли за напојување и сигнали паралелно на долги растојанија предизвикува индуктивно и капацитивно спрегнување. Кога физичкото одвојување не е можно, пресекувањето на каблите за напојување и сигнали под агол од 90 степени драстично го намалува спрегнувањето во споредба со паралелното распоредување.

Посветената, ниско-импедансна врска на шасијата со земјата за куќиштето на еднонасочниот мотор со четки е еднакво важна. Плувањето на рамките на моторот ги собира полнежите од случајното капацитивно спојување, што потоа непредвидливо се разрядува во околниот систем. Поврзувањето на рамката на моторот директно со земјата на системот со кратка, дебела жица намалува овој ефект и обезбедува референтна точка за кондензаторите за потиснување да работат ефикасно против него.

Стратегии за механичко намалување на бучавата

Практики за одржување на четките и комутаторот

Одржувањето на површината на комутаторот чиста, гладка и правилно „издржана“ е единствената највлијателна механичка интервенција за намалување на бучавата од четките кај еднонасочниот мотор со четки. Новата, инсталирана четка бара период на прилагодување („пробег“), во кој контактната површина на четката се прилагодува на закривеноста на комутаторот. Повртувањето на моторот со намалена товарност во овој период минимизира искрите и побрзо воспоставува оптималната геометрија на контактот, што резултира со посилно тиха долготрајна работа.

Чистењето на комутаторот треба да се врши периодично со соодветни алатки — обично со камен за комутатор или фин полир-платно за лачење — за отстранување на насобраните јаглеродни депозити и оксидација. Глатка, благо полирена површина на комутаторот со интактни мика-вдлабнатини помеѓу сегментите овозможува постојан електричен контакт и значително ги намалува механичките импулси кои се претвораат во акустичен шум. Никогаш не користете абразивни материјали кои го менуваат округлиот облик на комутаторот или прекумерно отстрануваат основниот бакарен материјал.

Притисокот на пружините на четките бара прецизна калибрација. Прекумало мал притисок на пружините води до непостојан контакт и интензивно искреење; прекумало голем притисок забрзува износувањето и зголемува топлината и вибрацијата предизвикани од триењето. Секоја конструкција на еднонасочен мотор со четки специфицира оптимален опсег на сила на контакт на четките, а задржувањето внатре во тој опсег осигурува најниско постигливо ниво на шум од интерфејсот на комутација низ целиот временски период на служба на четките.

Изолација од вибрации и дизајн на поставување

Дури и добро одржувањето на еднонасочниот мотор со четки произведува некоја ниво на механичка вибрација што мора да се управува на интерфејсот за монтирање. Антивибрациските монтажи — еластомерни изолатори поставени помеѓу основата на моторот и структурната рамка — го одвојуваат вибрацискиот мотор од шасијата, спречувајќи ја амплификацијата преку резонанца. Изборот на соодветна тврдина на изолаторот бара познавање на доминантната фреквенција на вибрација, која обично е основната фреквенција на вртежите во минута (RPM) и нејзините хармоници.

Флексибилните кардански спојки помеѓу излезниот вал на еднонасочниот мотор со четки и задвижуваниот товар имаат двојна функција: компензираат мали отстапувања на валовите и апсорбираат торзиски вибрациски импулси кои инаку би се пренесле во механизмите на товарот и би предизвикале вторичен шум. Челюстните спојки со полиуретански „пајаци“, дисковите спојки и спиралните спојки секоја нуди различни нивоа на торзиска комплајанс и треба да се изберат врз основа на профилот на вртежен момент на специфичната примена на еднонасочниот мотор со четки.

Структурните резонанси во рамката за монтирање можат да ги засилат дури и слабите вибрации на моторот во значајен акустичен шум. Едно едноставно тапкање или пребарување на вибрацискиот спектар може да ги идентифицира резонантните честоти во потпорната структура. Зголемувањето на виткоста на рамката, додавањето на демпинг маса или поместувањето на точката за монтирање на положба со јазли може да елиминира овие ефекти на резонантно засилување без потреба од било какви промени на самите јачни DC мотори.

Минимизирање на шумот на ниво на погон и контрола

Избор на честота на ШИМ и филтрирање

Кога еднонасочниот брзински мотор се контролира со драјвер со модулација на ширината на импулсите (PWM), фреквенцијата на превклучување на драјверот директно влијае врз слушливите и електричните шумови. Ниските PWM фреквенции — обично под 20 kHz — паѓаат во опсегот на човечкото слушање и произведуваат посебен тонски жужок од намотките и јадрото на моторот. Зголемувањето на PWM фреквенцијата на превклучување над 20 kHz го поместува тој тон над слушливото подрачје, ефикасно отстранувајќи го акустичниот компонент, но потенцијално воведувајќи ЕМИ со повисока фреквенција која бара внимание при дизајнирањето на филтерот.

При повисоки честоти на превклучување, рипли-струјата низ намотките на еднонасочниот мотор со четки се намалува, бидејќи индуктивноста на намотките има повеќе време да го изглади струјниот тек помеѓу импулсите. Помалата рипли-струја значи помала варијација во силата на контактот на четките и во интензитетот на искрите кај четките, што директно намалува и електричните и механичките компоненти на шумот. Меѓутоа, загубите при превклучување во погонот се зголемуваат со честотата, па мора да се постигне рамнотежа врз основа на термалните и ефикасносните ограничувања на специфичната комбинација од погон и еднонасочен мотор со четки.

Додавање на излезен филтер помеѓу PWM-драйверот и еднонасочниот мотор со четки — обично мал LC-филтер со ниска пропусност — го претвора PWM-брановиот облик во потекло, скоро чист DC-струен бранов облик на моторните терминали. Ова драматично намалува искрата предизвикана од рипли-струјата, намалува топлинското напрежување врз комутаторот и намалува емитираното ЕМИ од моторниот кабел. Излезните филтри се особено корисни во прецизни примени каде што интегритетот на сигналот од енкодерот или ниското слушливо шумење се главни барања.

Квалитет на напојувањето и декапација

Квалитетот на напојувањето што го напојува системот со еднонасочен струен мотор со четки влијае врз бучавата во двете насоки. Напојувањето со висок излезен импеданс на високи фреквенции ќе овозможи преминување на прескокни врвови предизвикани од комутацијата назад и да предизвикаат смутување на другите потрошувачи поврзани на истата напојна шина. Додавањето на големи електролитни кондензатори на излезот на напојувањето, комбинирано со помали керамички заобиколни кондензатори поставени поблиску до степенот за управување со моторот, создава слоевита мрежа за декапација која апсорбира прескокните сигнали во повеќе фреквентни опсези.

Регулираните напојувања со активно отстранување на шумот се предпочтени пред едноставните нерегулирани трансформатор-исправувачки напојувања во примени каде што шумот е критичен за једнонасочните мотори со четкици. Линеарните регулатори, иако помалку ефикасни од прекинувачките регулатори, нудат поинтегрално помал шум на излез и често се избираат за финалната фаза на прецизни кола за управување со једнонасочни мотори со четкици, каде што електромагнетската чистота е поважна од ефикасноста. Кога се користат прекинувачки регулатори, нивниот сопствен прекинувачки шум мора да се внимателно управува со филтрирање на излезот и добра распоредност на платата за да не се додаде уште еден извор на шум во системот.

Често поставувани прашања

Зошто мојот једнонасочен мотор со четкици произведува повеќе шум на одредени брзини?

Промената на бучавата со брзината кај еднонасочниот мотор со четки обично е поврзана со резонантни ефекти, промени во честотата на комутација или однесувањето на лежиштата. На одредени вредности на брзината на вртење (RPM), честотата на комутација или нејзините хармоници можат да се совпаднат со механичка резонанца во каркاسот на моторот или во неговата поставена конструкција, што предизвикува засилена бучава на таа брзина. Покрај тоа, бучавата од лежиштата често прогресивно се зголемува со брзината кога смазувањето е недоволно. Идентификувањето на точната брзина на која бучавата достигнува максимум и неговото споредување со пресметаните резонантни честоти помага да се утврди основниот причинител.

Дали можам да користам било кој кондензатор за потиснување на бучавата од еднонасочниот мотор со четки?

Не сите кондензатори се еднакво ефикасни за потиснување на шумот од еднонасочни мотори со четки. Керамичките кондензатори со диелектрик X7R или X5R се предизбрани за високочестотни бипас задачи, бидејќи ги одржуваат своите вредности на капацитет низ широк опсег на честоти и имаат ниска еквивалентна серија отпорност (ESR). Електролитските кондензатори, иако се корисни за складирање на голема количина енергија и филтрирање на ниски честоти, воопшто се премногу бавни во својата честотна одговорност за да се справат со брзите транзиентни врвови генерирани од комутационото превклучување во систем со еднонасочен мотор со четки.

Колку често треба да се инспектираат четките на еднонасочен мотор со четки?

Интервалите за инспекција на четките на еднонасочен мотор со четки силно зависат од работниот циклус, товарот и работната средина. Во индустријални примени со непрекинат режим на работа, општата насока е да се врши инспекција на четките секој 500 до 1.000 работни часови или кога ќе се забележи забележливо зголемување на аудибилниот шум или искри. Четките треба да се заменат кога ќе се износат до приближно една третина од нивната оригинална должина или ако површината на контакт покажува знаци на неравномерно изношување, пукнатини или замрсување. Превентивното одржување на четките е еден од најефикасните начини за одржување на ниско ниво на шум во текот на целото работно време на еднонасочен мотор со четки.

Дали работата на еднонасочен мотор со четки на понисок напон го намалува шумот?

Повртувањето на еднонасочен мотор со четки на намален напон воопшто го намалува бучавата до некоја степен, првенствено бидејќи помалиот струен тек го намалува интензитетот на искрите при комутација и ги намалува механичките сили што дејствуваат врз контактот на четките. Меѓутоа, овој пристап носи компромиси: намалениот напон значи намалена брзина и момент на вртење, што може да не е прифатливо во апликации каде што перформансите се критични. Подобар стратегиски пристап е да се работи со еднонасочниот мотор со четки на номинален напон во неговиот специфициран опсег на товар и да се отстрани бучавата преку посебни техники за потиснување, а не преку намалување на напонот, што жртвува способностите на моторот без да се реши основниот механизам на генерирање на бучава.