การลดเสียงรบกวนในระบบมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านของคุณ

หากคุณเคยใช้งานเครื่องจักรที่ขับเคลื่อนด้วย brush DC Motor และสังเกตเห็นเสียงฮัม เสียงแสบหู หรือสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่น่ารำคาญ คุณก็เข้าใจแล้วว่าเหตุใดการลดเสียงรบกวนจึงเป็นหนึ่งในความท้าทายด้านวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบมอเตอร์ เสียงรบกวนในระบบมอเตอร์แบบบรัชดีซี (brush dc motor) ไม่ใช่เพียงแค่ปัญหาด้านเสียงที่รบกวนประสาทหูเท่านั้น — แต่ยังอาจรบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใกล้เคียง ทำให้คุณภาพของสัญญาณในอุปกรณ์วัดที่ไวต่อการรบกวนลดลง ทำให้อายุการใช้งานของชิ้นส่วนสั้นลง และก่อให้เกิดปัญหาการไม่สอดคล้องตามข้อกำหนดในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด อีกด้วย การเข้าใจสาเหตุพื้นฐานของเสียงรบกวนเหล่านี้ และการรู้วิธีจัดการกับมันอย่างเป็นระบบ จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับผู้ที่มีส่วนเกี่ยวข้องในการออกแบบ การรวมระบบ หรือการบำรุงรักษาระบบมอเตอร์แบบบรัชดีซี

ข่าวดีก็คือ ปัญหาเสียงรบกวนส่วนใหญ่ในระบบ brush DC Motor ระบบมีลักษณะที่สามารถทำนายได้ วินิจฉัยได้ และแก้ไขได้ด้วยกลยุทธ์ที่เหมาะสมทั้งในระดับเครื่องกล ระดับไฟฟ้า และระดับการใช้งาน บทความนี้วิเคราะห์แหล่งกำเนิดเสียงรบกวนหลัก ชี้แจงว่าแต่ละประเภทเกิดขึ้นอย่างไร และอธิบายเทคนิคเชิงปฏิบัติสำหรับการลดเสียงรบกวนในทุกระดับของระบบ — ตั้งแต่ตัวมอเตอร์เอง ไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟ รูปแบบการเดินสาย และการต่อโหลด ไม่ว่าคุณจะกำลังทำงานกับมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรง (brush dc motor) ขนาดเล็กสำหรับงานอดิเรก หรือมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงสำหรับงานอุตสาหกรรมที่ใช้งานหนักและมีรอบการทำงานสูง หลักการเหล่านี้ก็ยังคงใช้ได้อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งระบบ

ทำความเข้าใจแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนในมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรง

การเกิดประกายไฟจากการสลับทิศทางกระแส (Commutation Sparking) และเสียงรบกวนทางไฟฟ้า

ลักษณะเชิงกลที่สำคัญที่สุดของมอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรงถ่าน (brush dc motor) คือชุดคอมมิวเทเตอร์และแปรงถ่าน ซึ่งยังเป็นแหล่งกำเนิดหลักของสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าอีกด้วย ขณะที่แปรงถ่านเลื่อนผ่านส่วนต่างๆ ของคอมมิวเทเตอร์ จะเกิดการตัดและสร้างกระแสไฟฟ้าในขดลวดอาร์เมเจอร์ขึ้นใหม่ซ้ำๆ ด้วยความถี่สูง สัญญาณสลับซ้ำๆ นี้ก่อให้เกิดคลื่นแรงดันพุ่งสูง (voltage spikes) และสัญญาณชั่วคราว (transient pulses) ซึ่งแพร่กลับเข้าสู่สายจ่ายไฟและแผ่กระจายออกเป็นสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

ระดับความรุนแรงของการเกิดประกายไฟจากการเปลี่ยนทิศทางกระแส (commutation sparking) ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการที่มีปฏิสัมพันธ์กัน ได้แก่ วัสดุของแปรงถ่านและความดันของสปริง คุณภาพพื้นผิวของคอมมิวเทเตอร์ ค่าเหนี่ยวนำของอาร์เมเจอร์ และอัตราการสลับกระแสไฟฟ้า มอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรงถ่านที่สึกหรอหรือไม่อยู่ในแนวที่ถูกต้อง มักจะก่อให้เกิดประกายไฟมากกว่ามอเตอร์ที่ได้รับการบำรุงรักษาอย่างดีและทำงานภายใต้พารามิเตอร์ที่กำหนดไว้ แม้แต่ร่องบนพื้นผิวคอมมิวเทเตอร์เพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้ความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นอย่างไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้รูปแบบของคลื่นแรงดันพุ่งสูงชั่วคราวแย่ลง

สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่คอมมิวเทเตอร์จัดอยู่ในสองประเภท คือ สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าแบบนำกระแส (Conducted EMI) ซึ่งเดินทางผ่านสายไฟ และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแผ่รังสี (Radiated EMI) ซึ่งปล่อยออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทั้งสองประเภทนี้สามารถรบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บริเวณใกล้เคียง ทำให้คุณภาพของสัญญาณเอนโค้ดเดอร์ลดลง ก่อให้เกิดการทริกเกอร์ผิดพลาดในวงจรควบคุม และสร้างคลื่นรบกวน (Ripple) ขึ้นในแหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุมแรงดัน การจัดการกับสัญญาณรบกวนนี้ตั้งแต่ต้นทาง — คือ บริเวณอินเทอร์เฟซการคอมมิวเทต — จึงเป็นขั้นตอนแรกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ก่อนจะดำเนินการติดตั้งตัวกรองเพิ่มเติมในขั้นตอนถัดไป

การสั่นสะเทือนเชิงกลและเสียงรบกวนเชิงเสียง

นอกเหนือจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าแล้ว มอเตอร์แบบกระแสตรงที่ใช้แปรงถ่านยังก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนเชิงกลและเสียงที่ได้ยินได้ผ่านหลายช่องทางทางกายภาพ อีกหนึ่งสาเหตุหลักที่พบบ่อยคือปรากฏการณ์ 'การสั่นของแปรงถ่าน' (Brush Chatter) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแปรงถ่านกระดอนข้ามพื้นผิวของคอมมิวเทเตอร์ที่ไม่เรียบสม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนเชิงกลแบบจังหวะซ้ำ ๆ ซึ่งถ่ายทอดผ่านตัวเรือนมอเตอร์ไปยังโครงสร้างที่ยึดมอเตอร์ ทั้งนี้ การสั่นสะเทือนดังกล่าวอาจกระตุ้นความถี่เรโซแนนซ์ในแชสซีหรือโครงถัง ทำให้ระดับเสียงรบกวนที่รับรู้ได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก

การสึกหรอของตลับลูกปืนและการเสื่อมคุณภาพของสารหล่อลื่นก็เป็นสาเหตุสำคัญเช่นกัน โมเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (Brush DC Motor) ที่ทำงานภายใต้สภาวะการจัดแนวไม่ตรง (misalignment) แรงรัศมีเกินขีดจำกัด หรือมีจาระบีสำหรับตลับลูกปืนเสื่อมคุณภาพ จะสร้างเสียงหวีดหรือเสียงขูดดังเฉพาะตัวในย่านความถี่สูง ชนิดของเสียงนี้มักเพิ่มขึ้นตามความเร็วในการหมุน และเป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้าที่เชื่อถือได้สำหรับความล้มเหลวของตลับลูกปืนที่กำลังจะเกิดขึ้น การตรวจจับสัญญาณนี้แต่เนิ่นๆ ผ่านการตรวจสอบการสั่นสะเทือนตามปกติจะช่วยป้องกันการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนซึ่งก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายสูง

ความไม่สมดุลของอาร์เมเจอร์ (Armature Imbalance) ก่อให้เกิดอีกหนึ่งเส้นทางของการเกิดเสียงเชิงกล หากร่างกายหมุนของอาร์เมเจอร์ในโมเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านไม่ได้รับการปรับสมดุลอย่างเหมาะสม จะเกิดแรงไม่สมดุลที่หมุนรอบตัวเองที่ความถี่พื้นฐานของการหมุน ซึ่งแสดงออกมาในรูปของการสั่นสะเทือนที่ความถี่ 1x RPM และเมื่อแรงนี้ถ่ายทอดไปยังโหลดผ่านข้อต่อแบบแข็ง (rigid coupling) หรือระบบส่งกำลังที่ออกแบบไม่เหมาะสม ก็อาจก่อให้เกิดเสียงโครงสร้างที่ดังผิดปกติแม้ในความเร็วระดับปานกลาง

เทคนิคการลดเสียงรบกวนจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าสำหรับโมเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน

ตัวเก็บประจุและวงจร RC Snubber ที่ขั้วต่อของมอเตอร์

วิธีที่ง่ายที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบนำเข้า (Conducted EMI) ในวงจรของมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush dc motor) คือการติดตั้งตัวเก็บประจุแบบบายพาส (bypass capacitors) โดยตรงข้ามขั้วของมอเตอร์ ตัวเก็บประจุเซรามิกที่มีค่าความจุระหว่าง 0.1 µF ถึง 0.47 µF ซึ่งติดตั้งให้ใกล้ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้กับขั้วของมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน จะทำหน้าที่เป็นเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำไปยังกราวด์สำหรับสัญญาณรบกวนช่วงความถี่สูง จึงป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนเหล่านี้เดินทางย้อนกลับเข้าสู่แหล่งจ่ายไฟหรือวงจรควบคุม

สำหรับการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงขึ้น วงจรดับแรงดันแบบ RC (RC snubber) ซึ่งประกอบด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่ต่ออนุกรมกันแล้วเชื่อมต่อข้ามขั้วของมอเตอร์ จะให้การลดแรงดันกระชากเชิงเหนี่ยวนำได้ดีกว่า ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อการสัมผัสของแปรงถูกตัดขาดชั่วคราว ตัวต้านทานทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นโหลดเชิงปฏิกิริยาล้วนๆ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์การสั่นสะเทือน (ringing) หรือการสั่นพ้อง (oscillation) ที่ความถี่บางค่าได้ วงจรดับแรงดันแบบ RC มีความสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะเมื่อมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush dc motor) ถูกสลับเปิด-ปิดบ่อยครั้งโดยตัวควบคุมแบบ PWM เนื่องจากคลื่นสัญญาณการสลับจะเพิ่มภาระให้กับบริเวณรอยต่อการเปลี่ยนทิศทางกระแส (commutation interface) อย่างเป็นธรรมชาติ

นอกจากนี้ การติดตั้งตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็ก (เช่น ฟีไรต์บีดส์ หรือคอยล์ต้านทานแบบมีแกนเหล็ก) แบบอนุกรมเข้ากับสายนำไฟแต่ละเส้นของมอเตอร์ จะทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่สูง ซึ่งสามารถบล็อกการแพร่กระจายของแรงดันกระชากชั่วคราวได้ โดยไม่รบกวนกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้งานจริง ทั้งนี้ การรวมกันของตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรมบนสายนำแต่ละเส้นกับตัวเก็บประจุแบบชันต์ (shunt capacitor) ที่ต่อกับพื้นดิน จะสร้างเป็นตัวกรองแบบต่ำผ่าน (LC low-pass filter) — ซึ่งเป็นหนึ่งในโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับควบคุมสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จากรูปแบบมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน ในแอปพลิเคชันที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่

การป้องกัน การต่อกราวด์ และการจัดวางสายไฟ

สามารถลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแผ่รังสี (Radiated EMI) จากมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush dc motor) ได้อย่างมากผ่านการป้องกันและต่อกราวด์อย่างเหมาะสม สายเคเบิลของมอเตอร์ที่มีฉนวนหุ้ม (shielded motor cables) โดยที่ส่วนที่หุ้มด้วยเส้นลวดถักหรือฟอยล์ (braid or foil shield) ต่อเข้ากับโครงมอเตอร์ (motor chassis) ที่ปลายข้างเดียวเท่านั้น จะช่วยป้องกันไม่ให้สนามรังสีแผ่ไปรบกวนสายสัญญาณที่อยู่ใกล้เคียง การต่อกราวด์ของส่วนที่หุ้มไว้ต้องทำที่จุดเดียวเท่านั้น — โดยทั่วไปจะทำที่ปลายฝั่งคอนโทรเลอร์ — เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดวงจรกราวด์ซ้ำ (ground loops) ซึ่งอาจทำให้สัญญาณรบกวนเข้าสู่วงจรที่ไวต่อสัญญาณแย่ลงได้

การแยกระยะทางทางกายภาพระหว่างสายไฟเลี้ยงมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush dc motor power cables) กับสายสัญญาณแรงดันต่ำ (low-voltage signal lines) เป็นหนึ่งในมาตรการลดสัญญาณรบกวนที่มีประสิทธิภาพต้นทุนต่ำที่สุดที่มีอยู่ การเดินสายไฟเลี้ยงและสายสัญญาณขนานกันเป็นระยะทางยาวจะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำร่วม (inductive coupling) และการเชื่อมต่อแบบความจุ (capacitive coupling) อย่างมีนัยสำคัญ หากไม่สามารถแยกระยะทางได้จริง ให้จัดให้สายไฟเลี้ยงและสายสัญญาณข้ามกันที่มุม 90 องศา ซึ่งจะช่วยลดการรบกวนร่วมได้อย่างมากเมื่อเทียบกับการเดินสายแบบขนาน

การต่อสายดินแบบเฉพาะสำหรับโครงถังของมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush dc motor) ที่มีค่าความต้านทานต่ำนั้นมีความสำคัญไม่แพ้กัน การปล่อยให้โครงมอเตอร์ลอย (floating motor frames) ทำให้เกิดการสะสมประจุไฟฟ้าจากปรากฏการณ์การเชื่อมต่อแบบความจุรั่ว (stray capacitive coupling) ซึ่งประจุที่สะสมนี้จะปล่อยออกมาอย่างไม่สามารถคาดการณ์ได้เข้าสู่ระบบโดยรอบ การต่อโครงมอเตอร์เข้ากับระบบสายดินโดยตรงด้วยตัวนำที่สั้นและมีขนาดหนา (heavy-gauge conductor) จะช่วยลดผลกระทบดังกล่าว และยังสร้างจุดอ้างอิงที่จำเป็นสำหรับตัวเก็บประจุเพื่อการลดสัญญาณรบกวน (suppression capacitors) ให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

กลยุทธ์การลดเสียงรบกวนเชิงกล

แนวทางปฏิบัติในการบำรุงรักษาแปรงถ่านและคอมมูเทเตอร์

การรักษาพื้นผิวของคอมมูเทเตอร์ให้สะอาด นุ่มนวล และผ่านกระบวนการปรับสภาพ (seasoning) อย่างเหมาะสม ถือเป็นการแทรกแซงเชิงกลที่มีผลมากที่สุดต่อการลดเสียงรบกวนจากแปรงถ่านในมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน แปรงถ่านที่ติดตั้งใหม่จำเป็นต้องผ่านระยะเวลารัน-อิน (run-in period) เพื่อให้พื้นผิวสัมผัสของแปรงถ่านปรับรูปให้สอดคล้องกับความโค้งของคอมมูเทเตอร์ การเดินมอเตอร์ภายใต้ภาระงานที่ลดลงในช่วงเวลานี้จะช่วยลดการเกิดประกายไฟ (sparking) และเร่งให้เกิดรูปทรงการสัมผัสที่เหมาะสมยิ่งขึ้น ส่งผลให้มอเตอร์ทำงานได้เงียบยั่งยืนในระยะยาว

ควรทำความสะอาดคอมมิวเทเตอร์เป็นระยะๆ โดยใช้เครื่องมือที่เหมาะสม — โดยทั่วไปคือหินขัดคอมมิวเทเตอร์หรือผ้าขัดละเอียด — เพื่อขจัดคราบคาร์บอนที่สะสมและออกซิเดชันที่เกิดขึ้น ผิวหน้าคอมมิวเทเตอร์ที่เรียบลื่นและขัดเงาเล็กน้อย พร้อมร่องฉนวนไมกาที่ยังสมบูรณ์อยู่ระหว่างแต่ละส่วน จะช่วยส่งเสริมการสัมผัสทางไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ และลดแรงกระแทกเชิงกลที่แปลงเป็นเสียงรบกวนได้อย่างมีนัยสำคัญ ห้ามใช้วัสดุขัดที่ทำให้รูปร่างของคอมมิวเทเตอร์เบี้ยวคลาดหรือขจัดทองแดงพื้นฐานออกมากเกินไป

แรงกดของสปริงแปรงต้องปรับแต่งอย่างระมัดระวัง หากแรงกดน้อยเกินไปจะทำให้การสัมผัสไม่เสถียรและเกิดประกายไฟมาก; ในขณะที่แรงกดมากเกินไปจะเร่งการสึกหรอ และเพิ่มความร้อนกับการสั่นสะเทือนที่เกิดจากแรงเสียดทาน แบบมอเตอร์กระแสตรงชนิดแปรงแต่ละแบบจะระบุช่วงแรงสัมผัสของแปรงที่เหมาะสมไว้ การรักษาแรงสัมผัสให้อยู่ภายในช่วงที่กำหนดนี้จะช่วยให้ระดับเสียงรบกวนต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้จากบริเวณการสลับขั้ว (commutation interface) ตลอดอายุการใช้งานของแปรง

การออกแบบระบบกันสะเทือนและการยึดติด

แม้แต่มอเตอร์แบบกระแสตรงที่ได้รับการบำรุงรักษาอย่างดีก็ยังสร้างแรงสั่นสะเทือนเชิงกลในระดับหนึ่ง ซึ่งจำเป็นต้องควบคุมที่จุดติดตั้ง มอเตอร์รองรับแบบป้องกันการสั่นสะเทือน (Anti-vibration mounts) — ซึ่งเป็นตัวแยกแรงสั่นสะเทือนแบบยางยืดที่ติดตั้งระหว่างฐานมอเตอร์กับโครงสร้างหลัก — จะทำหน้าที่แยกแรงสั่นสะเทือนของมอเตอร์ออกจากแชสซี เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการเพิ่มพูนของแรงสั่นสะเทือนจากปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ การเลือกความแข็งของตัวแยกแรงสั่นสะเทือนที่เหมาะสม จำเป็นต้องทราบความถี่ของแรงสั่นสะเทือนหลัก ซึ่งโดยทั่วไปคือความถี่รอบต่อนาที (RPM) พื้นฐานและฮาร์โมนิกของมัน

ข้อต่อเพลาแบบยืดหยุ่น (Flexible shaft couplings) ที่ติดตั้งระหว่างเพลาส่งกำลังของมอเตอร์แบบกระแสตรงที่มีแปรงถ่าน (brush dc motor) กับโหลดที่ขับเคลื่อน มีหน้าที่สองประการ คือ ชดเชยความไม่สมมาตรของเพลาในระดับเล็กน้อย และดูดซับคลื่นแรงสั่นสะเทือนแบบบิด (torsional vibration pulses) ซึ่งหากไม่ถูกดูดซับจะส่งผ่านเข้าสู่กลไกของโหลดและก่อให้เกิดเสียงรบกวนระดับที่สอง ข้อต่อแบบฟัน (Jaw couplings) ที่ใช้ชิ้นส่วนกลางทำจากโพลียูรีเทน (polyurethane spiders) ข้อต่อแบบแผ่นดิสก์ (disc couplings) และข้อต่อแบบลำแสง (beam couplings) แต่ละชนิดมีระดับความยืดหยุ่นในการบิดที่แตกต่างกัน และควรเลือกใช้ตามลักษณะของกราฟแรงบิด (torque profile) ที่เฉพาะเจาะจงสำหรับการใช้งานมอเตอร์แบบกระแสตรงที่มีแปรงถ่านนั้นๆ

การสั่นพ้องเชิงโครงสร้างในกรอบยึดติดอาจทำให้การสั่นของมอเตอร์ระดับต่ำเกิดการขยายตัวจนกลายเป็นเสียงรบกวนเชิงเสียงที่มีนัยสำคัญ การทดสอบโดยการเคาะเบาๆ หรือการสแกนความถี่ของการสั่นสามารถระบุความถี่การสั่นพ้องในโครงสร้างรองรับได้ การเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับกรอบ การเพิ่มมวลลดการสั่น หรือการย้ายจุดยึดไปยังตำแหน่งโหนด (nodal position) สามารถขจัดผลกระทบจากการขยายตัวแบบสั่นพ้องเหล่านี้ได้ โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush dc motor) เองแต่อย่างใด

การลดเสียงรบกวนระดับการขับเคลื่อนและการควบคุม

การเลือกความถี่พัลส์ความกว้างโมดูเลต (PWM) และการกรองสัญญาณ

เมื่อมอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรงถ่าน (brush dc motor) ถูกควบคุมด้วยไดรเวอร์แบบปรับความกว้างของสัญญาณพัลส์ (PWM) ความถี่ในการสลับสัญญาณของไดรเวอร์จะมีผลโดยตรงต่อเสียงรบกวนที่ได้ยินได้และเสียงรบกวนทางไฟฟ้า ความถี่ PWM ต่ำ — โดยทั่วไปต่ำกว่า 20 กิโลเฮิร์ตซ์ — จะอยู่ในช่วงความถี่ที่หูมนุษย์ได้ยิน และก่อให้เกิดเสียงหวีดแหลมเฉพาะตัวจากขดลวดและแกนเหล็กของมอเตอร์ การเพิ่มความถี่ในการสลับสัญญาณ PWM ให้สูงกว่า 20 กิโลเฮิร์ตซ์ จะทำให้เสียงนี้อยู่นอกช่วงความถี่ที่หูมนุษย์ได้ยิน จึงสามารถกำจัดองค์ประกอบเสียงรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่อาจก่อให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวน (EMI) ที่มีความถี่สูงขึ้น ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบในการออกแบบตัวกรอง

ที่ความถี่การสลับสัญญาณสูงขึ้น ค่าริปเปิลของกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดมอเตอร์แบบกระแสตรงพร้อมแปรงถ่านจะลดลง เนื่องจากความเหนี่ยวนำของขดลวดมีเวลาเพียงพอในการเรียบกระแสไฟฟ้าระหว่างช่วงสัญญาณพัลส์มากขึ้น ค่าริปเปิลของกระแสไฟฟ้าที่ต่ำลงหมายถึงแรงสัมผัสของแปรงถ่านมีการเปลี่ยนแปลงน้อยลง และความรุนแรงของการเกิดประกายไฟที่แปรงถ่านก็ลดลงด้วย ส่งผลโดยตรงให้ส่วนประกอบของเสียงรบกวนทั้งทางไฟฟ้าและเชิงกลลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม การสูญเสียพลังงานจากการสลับสัญญาณในไดรฟ์จะเพิ่มขึ้นตามความถี่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องหาจุดสมดุลที่เหมาะสม โดยพิจารณาจากข้อจำกัดด้านอุณหภูมิและประสิทธิภาพของไดรฟ์และมอเตอร์แบบกระแสตรงพร้อมแปรงถ่านคู่นั้นๆ เป็นหลัก

การเพิ่มตัวกรองเอาต์พุตระหว่างไดรเวอร์ PWM กับมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน — โดยทั่วไปคือตัวกรองแบบผ่านความถี่ต่ำ (low-pass filter) แบบ LC ขนาดเล็ก — จะเปลี่ยนสัญญาณคลื่น PWM ให้กลายเป็นสัญญาณกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่เรียบขึ้นและใกล้เคียงกับกระแสตรงบริสุทธิ์มากขึ้นที่ขั้วต่อของมอเตอร์ ซึ่งช่วยลดประกายไฟที่เกิดจากแรงดันแปรผันของกระแสอย่างมีนัยสำคัญ ลดภาระความร้อนที่เกิดกับคอมเมทาเตอร์ และลดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวนที่แผ่ออกมาจากสายเคเบิลของมอเตอร์ ตัวกรองเอาต์พุตมีความสำคัญอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องการความแม่นยำสูง โดยเฉพาะกรณีที่ความสมบูรณ์ของสัญญาณเอนโคเดอร์หรือเสียงรบกวนที่ต่ำเป็นข้อกำหนดหลัก

คุณภาพของแหล่งจ่ายไฟและระบบแยกสัญญาณรบกวน

คุณภาพของแหล่งจ่ายไฟที่ป้อนให้กับระบบมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านส่งผลต่อระดับเสียงรบกวนทั้งในทิศทางไปและกลับ แหล่งจ่ายไฟที่มีอิมพีแดนซ์ขาออกสูงที่ความถี่สูงจะทำให้คลื่นแรงดันชั่วคราว (transient spikes) ที่เกิดจากการสลับขั้ว (commutation) แพร่ย้อนกลับไปและรบกวนโหลดอื่นๆ ที่เชื่อมต่อกับรางจ่ายไฟเดียวกัน การเพิ่มตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลติกชนิดปริมาตรใหญ่ (bulk electrolytic capacitance) ที่ขาออกของแหล่งจ่ายไฟ ร่วมกับตัวเก็บประจุเซรามิกแบบบายพาส (ceramic bypass capacitors) ขนาดเล็กกว่าที่วางใกล้กับขั้นตอนไดรเวอร์มอเตอร์ จะสร้างเครือข่ายการแยกสัญญาณรบกวนแบบชั้นซ้อน (layered decoupling network) ซึ่งสามารถดูดซับคลื่นแรงดันชั่วคราวในช่วงความถี่หลายระดับ

แหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุมพร้อมระบบปฏิเสธสัญญาณรบกวนแบบแอคทีฟนั้นเหมาะสมกว่าแหล่งจ่ายไฟแบบทรานส์ฟอร์เมอร์-เรกติไฟเออร์ที่ไม่มีการควบคุมในแอปพลิเคชันมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านที่ไวต่อสัญญาณรบกวน ตัวควบคุมเชิงเส้น (Linear regulators) แม้จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าตัวควบคุมแบบสวิตชิ่ง (switching regulators) แต่ให้สัญญาณรบกวนที่ขาออกต่ำโดยธรรมชาติ และมักถูกเลือกใช้ในขั้นตอนสุดท้ายของวงจรขับมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านที่ต้องการความแม่นยำสูง โดยที่ความสะอาดทางแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสำคัญมากกว่าประเด็นด้านประสิทธิภาพ เมื่อใช้ตัวควบคุมแบบสวิตชิ่ง จำเป็นต้องจัดการสัญญาณรบกวนจากการสวิตชิ่งของตัวมันเองอย่างระมัดระวังผ่านการกรองที่ขาออกและการจัดวางวงจรอย่างมีวินัย เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดแหล่งสัญญาณรบกวนเพิ่มเติมในระบบ

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านของฉันจึงสร้างสัญญาณรบกวนมากขึ้นที่ความเร็วบางระดับ?

ความแปรผันของเสียงรบกวนตามความเร็วในมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่าน (brush DC motor) มักเกี่ยวข้องกับผลกระทบจากความถี่เรโซแนนซ์ การเปลี่ยนแปลงอัตราการสลับทิศทางกระแส (commutation rate) หรือพฤติกรรมของตลับลูกปืน โดยที่ความเร็วหมุน (RPM) บางค่า ความถี่ของการสลับทิศทางกระแส หรือฮาร์โมนิกส์ของความถี่นั้น อาจสอดคล้องกับความถี่เรโซแนนซ์เชิงกลของโครงสร้างตัวเรือนมอเตอร์หรือโครงสร้างยึดติด ทำให้เกิดเสียงรบกวนที่เพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนที่ความเร็วนั้น นอกจากนี้ เสียงรบกวนจากตลับลูกปืนมักเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปตามความเร็ว เมื่อการหล่อลื่นไม่เพียงพอ การระบุความเร็วที่เสียงรบกวนสูงสุดอย่างแม่นยำ และเปรียบเทียบข้ามกับความถี่เรโซแนนซ์ที่คำนวณไว้ จะช่วยระบุสาเหตุหลักได้อย่างตรงจุด

ฉันสามารถใช้ตัวเก็บประจุชนิดใดก็ได้เพื่อลดเสียงรบกวนของมอเตอร์กระแสตรงแบบแปรงถ่านได้หรือไม่?

ไม่ใช่ตัวเก็บประจุทั้งหมดจะมีประสิทธิภาพเท่ากันในการลดสัญญาณรบกวนของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน ตัวเก็บประจุเซรามิกที่ใช้วัสดุไดอิเล็กตริกชนิด X7R หรือ X5R จึงเป็นที่นิยมสำหรับงานเบี่ยงเบนสัญญาณความถี่สูง เนื่องจากสามารถรักษาค่าความจุไว้ได้ดีในช่วงความถี่กว้าง และมีค่าความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่า (ESR) ต่ำ ขณะที่ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลติก แม้จะมีประโยชน์ในการเก็บพลังงานปริมาณมากและการกรองสัญญาณความถี่ต่ำ แต่โดยทั่วไปแล้วมีการตอบสนองต่อความถี่ช้าเกินไป จึงไม่สามารถจัดการกับสัญญาณแรงดันกระชากชั่วคราวที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจากการสลับขั้ว (commutation switching) ในระบบมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ควรตรวจสอบแปรงถ่านของมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านบ่อยแค่ไหน?

ช่วงเวลาในการตรวจสอบแปรงถ่านบนมอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรงขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น รอบการทำงาน (duty cycle) ภาระโหลด และสภาพแวดล้อมในการทำงาน โดยทั่วไปในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมที่ใช้งานอย่างต่อเนื่อง แนะนำให้ตรวจสอบแปรงถ่านทุกๆ 500 ถึง 1,000 ชั่วโมงของการทำงาน หรือทุกครั้งที่สังเกตเห็นเสียงดังผิดปกติหรือประกายไฟเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน ควรเปลี่ยนแปรงถ่านเมื่อสึกหรอจนเหลือความยาวประมาณหนึ่งในสามของความยาวเดิม หรือหากพื้นผิวสัมผัสแสดงอาการสึกหรอไม่สม่ำเสมอ แตกร้าว หรือมีสิ่งสกปรกปนเปื้อน การบำรุงรักษาแปรงถ่านอย่างเชิงรุกเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการรักษาระดับเสียงให้ต่ำตลอดอายุการใช้งานของมอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรง

การขับมอเตอร์กระแสตรงแบบใช้แปรงที่แรงดันต่ำกว่าจะช่วยลดระดับเสียงหรือไม่?

การขับมอเตอร์แบบบรัชดีซี (brush DC motor) ที่แรงดันต่ำกว่าค่าปกติโดยทั่วไปจะช่วยลดเสียงรบกวนลงได้ในระดับหนึ่ง โดยหลักๆ แล้วเป็นเพราะกระแสไฟฟ้าที่ลดลงทำให้ประกายไฟจากการสลับขั้ว (commutation sparking) มีความรุนแรงน้อยลง และลดแรงเชิงกลที่กระทำต่อจุดสัมผัสของแปรงถ่าน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อเสียประกอบด้วย: การลดแรงดันจะส่งผลให้ความเร็วและทอร์กขาออกลดลง ซึ่งอาจไม่สามารถยอมรับได้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการสมรรถนะสูง กลยุทธ์ที่ดีกว่าคือ การใช้มอเตอร์แบบบรัชดีซีที่แรงดันกำหนดสูงสุด (rated voltage) ภายใต้ช่วงโหลดที่ระบุไว้ และจัดการปัญหาเสียงรบกวนด้วยเทคนิคการลดเสียงรบกวนเฉพาะทาง แทนที่จะลดแรงดันลง (voltage derating) ซึ่งจะทำให้ศักยภาพของมอเตอร์ลดลงโดยไม่สามารถแก้ไขสาเหตุพื้นฐานของการเกิดเสียงรบกวนได้