Tìm hiểu tương thích điện từ trong hệ thống thiết bị sunroof tự động của xe cộ

Chương I: GIỚI THIỆU 1.1 KHÁI NIỆM VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Nhiễu giao thoa điện từ (EMI: Electromagnetic Interference) được định nghĩa như một tín hiệu điện không mong muốn, nó đem lại những kết quả không mong đợi trong hệ thống. Chẳng hạn, trong các phương tiện xe cộ hiện đại, EMI gây ra nhiễu mà chúng ta có thể nghe được từ các thiết bị thu sóng radio, gây ra sự trục trặc cho bộ điều khiển thậm chí có thể dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng. Thuật ngữ EMC (Electromagnetic Compatibility: nhiễu điện từ) liên quan đến một hệ thống điện tử có khả năng thực hiện chức năng tương thích với các hệ thống điện tử khác và không tạo ra hoặc không nhạy với nhiễu. Nếu một hệ thống là EMC thì phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn sau: · Không gây ra nhiễu với các hệ thống khác. · Không nhạy với sự phát xạ từ các hệ thống khác. · Không gây ra nhiễu cho chính nó. Hình 1.1: Ba yếu tố trong tiến trình EMI Tóm lại, các vấn đề của EMC liên quan đến sự phát sinh, sự truyền và sự thu nhận năng lượng điện từ. Hình 1.1 minh họa ba yếu tố của một vấn đề EMC: nguồn tạo ra sự phát xạ, và đường ghép nối mang năng lượng phát xạ chuyển từ nguồn đến bộ thu, và vì vậy năng lượng điện từ không mong muốn được chuyển đổi thành một số tác động không mong đợi. Bằng cách chia đường ghép nối thành hai loại, có hai nhóm nhỏ cho vấn đề EMC, đó là: bức xạ và dẫn. Từ quan điểm của bộ thu và bộ phát, các vấn đề EMC có thể được chia thành Phát xạ Điện từ (EME: Electromagnetic Emission)và Độ nhạy Điện từ (EMS: Electromagnetic Susceptibility). Tiểu luận sẽ tập trung vào vấn đề làm thế nào để giảm phát xạ. Có ba cách được áp dụng để làm giảm nhiễu bức xạ và nhiễu dẫn. · Triệt sự phát xạ tại nguồn phát. · Làm vô hiệu hóa đường ghép nối càng nhiều càng tốt. · Làm cho bộ thu miễn dịch với nguồn phát. 1.2 CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỂ CÓ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ Trong ngành công nghiệp tự động, một vài yêu cầu về EMC đặt ra cho sản phẩm điện tử được cài đặt trong phương tiện xe cộ. Các yêu cầu này được đặt ra bởi các cơ quan nhà nước. Những qui định này là những yêu cầu hợp lí mang tính bắt buộc, có nghĩa là thiết bị trong qui định thì không thể được bán khi không tuân theo những qui định EMC này. Trong ngành công nghiệp tự động, hầu hết EMC liên quan đến các qui luật và các qui định được liệt kê trong Bảng 1.1.

Chương I:

GIỚI THIỆU1.1 KHÁI NIỆM VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Nhiễu giao thoa điện từ (EMI: Electromagnetic Interference) được định nghĩa như mộttín hiệu điện không mong muốn, nó đem lại những kết quả không mong đợi trong hệ thống.Chẳng hạn, trong các phương tiện xe cộ hiện đại, EMI gây ra nhiễu mà chúng ta có thểnghe được từ các thiết bị thu sóng radio, gây ra sự trục trặc cho bộ điều khiển thậm chí cóthể dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng Thuật ngữ EMC (Electromagnetic Compatibility:nhiễu điện từ) liên quan đến một hệ thống điện tử có khả năng thực hiện chức năng tươngthích với các hệ thống điện tử khác và không tạo ra hoặc không nhạy với nhiễu

Nếu một hệ thống là EMC thì phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn sau:

• Không gây ra nhiễu với các hệ thống khác

• Không nhạy với sự phát xạ từ các hệ thống khác

• Không gây ra nhiễu cho chính nó

Hình 1.1: Ba yếu tố trong tiến trình EMI

Tóm lại, các vấn đề của EMC liên quan đến sự phát sinh, sự truyền và sự thu nhận nănglượng điện từ Hình 1.1 minh họa ba yếu tố của một vấn đề EMC: nguồn tạo ra sự phát xạ,

và đường ghép nối mang năng lượng phát xạ chuyển từ nguồn đến bộ thu, và vì vậy nănglượng điện từ không mong muốn được chuyển đổi thành một số tác động không mong đợi.Bằng cách chia đường ghép nối thành hai loại, có hai nhóm nhỏ cho vấn đề EMC, đó là:bức xạ và dẫn

Từ quan điểm của bộ thu và bộ phát, các vấn đề EMC có thể được chia thành Phát xạ

Điện từ (EME: Electromagnetic Emission) và Độ nhạy Điện từ (EMS: Electromagnetic

Susceptibility) Tiểu luận sẽ tập trung vào vấn đề làm thế nào để giảm phát xạ

• Triệt sự phát xạ tại nguồn phát.

• Làm vô hiệu hóa đường ghép nối càng nhiều càng tốt

• Làm cho bộ thu miễn dịch với nguồn phát

1.2 CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỂ CÓ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ

Trong ngành công nghiệp tự động, một vài yêu cầu về EMC đặt ra cho sản phẩm điện

tử được cài đặt trong phương tiện xe cộ Các yêu cầu này được đặt ra bởi các cơ quan nhànước Những qui định này là những yêu cầu hợp lí mang tính bắt buộc, có nghĩa là thiết bịtrong qui định thì không thể được bán khi không tuân theo những qui định EMC này.Trong ngành công nghiệp tự động, hầu hết EMC liên quan đến các qui luật và các quiđịnh được liệt kê trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn quốc tế và khu vực được sử dụng trong ngành công nghiệp tự động

IEC CISPR-12 Các phương tiện xe cộ, thuyền máy và các thiết bị dẫn động

dễ bắt lửa – Các đặc tính nhiễu radio – Giới hạn và phươngpháp đo

IEC CISPR-25 Các đặc tính nhiễu radio để bảo vệ các bộ thu được sử dụng

on board trong các phương tiện xe cộ, tàu thuyền và cácthiết bị khác – Giới hạn và phương pháp đo

SAE SAE-J551 Thủ tục và giới hạn đo tương thích điện từ đối với phương

tiện xe cộ và thiết bị

SAE SAE-J1113 Thủ tục và giới hạn đo tương thích điện từ đối với các

thành phần phương tiện xe cộ

ISO ISO 7637 Nhiễu điện bằng cách dẫn và ghép

ISO ISO 10605 Các phương tiện xe cộ trên đường đi – Các phương pháp

kiểm tra đối với nhiễu điện qua việc phóng tĩnh điện

EU 95/54/EC Điều khiển EMC tự động

JASO JASO 7637 Yêu cầu về độ nhạy điện từ tự động

ISO ISO 11451 Nhiễu điện bằng cách bức xạ năng lượng điện từ băng hẹp

– Các phương pháp kiểm tra trên xe cộISO ISO 11452 Nhiễu điện bằng cách bức xạ năng lượng điện từ băng hẹp

– Các phương pháp kiểm tra thành phần

Chương 2:

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ

SUNROOF TỰ ĐỘNG CỦA XE CỘ

2.1 HỆ THỐNG THIẾT BỊ SUNROOF TRONG XE CỘ

2.1.1 Cấu trúc của hệ thống thiết bị sunroof

Hệ thống thiết bị sunroof trong xe cộ thông thường có ba phần chính Đó là: cấu trúcthiết bị sunroof, bộ SCU (Sunroof Control Unit: bộ điều khiển Sunroof) và môtơ Hầu như,chúng được mua từ các nhà cung cấp khác nhau, và nhà thiết kế bộ SCU chịu trách nhiệmthiết kế tác động của bộ SCU đến việc mở, đóng panel kính và tập trung các yêu cầu củanhà cung cấp hệ thống thiết bị sunroof Các hệ thống thiết bị roof có nhiều hình dáng khácnhau trong các xe ô tô Kiểu phổ biến nhất là thiết bị sunroof thông gió trượt nghiêng.Panel kính có hai chế độ mở, đó là chế độ nhấc lên và chế độ trượt Chế độ nhấc lên đemlại sự thông gió khi trời mưa mà không bị ướt, còn chế độ trượt sẽ cho phép khoảng tiếpxúc với không khí lớn nhất

Một hệ thống thiết bị sunroof điển hình như trong hình 2.1

Hình 2.1: Hệ thống thiết bị sunroof điển hình

Bộ SCU và môtơ được lắp đặt cố định trong cấu trúc sunroof Truyền động bánh răngtrong trục của môtơ dẫn hai sợi cáp qua các bánh răng để chuyển đổi chuyển động quaythành chuyển động thẳng của panel kính Vì lí do an toàn, cấu trúc thiết bị sunroof đượcgắn cố định trong xe Bộ SCU, môtơ và thiết bị sunroof được gắn vào trong thân xe Cực

âm của nguồn điện được đấu vào thân xe, nhưng kết nối điện giữa vỏ môtơ và thân xekhông được định rõ Đó là yếu tố EMC quan trọng và được thiết kế theo cách như thế đểđạt được mức EMI thấp nhất

Một bộ chuyển mạch được lắp đặt để cho việc điều khiển thuận tiện Cáp của bộchuyển mạch kết nối bộ chuyển mạch với SCU và cực dương của nguồn Môtơ được kếtnối với SCU qua cáp môtơ Hầu hết cáp môtơ sử dụng cáp hai sợi không bọc Bộ SCUcũng được cấp nguồn bởi cáp hai dây không bọc, sau đây nó được gọi là cáp nguồn-SCU.

Sơ đồ đấu nối điện trong hệ thống thiết bị sunroof như trong Hình 2.2 Phạm vi độ dài cápcũng được cho

Hình 2.2: Đấu nối điện của một hệ thống sunroof điển hình

2.1.2 Hoạt động của thiết bị sunroof

Có hai chế độ để vận hành thiết bị sunroof Chế độ thứ nhất là bằng cách chuyển mạch

Có ba vị trí trong bộ chuyển mạch, hai vị trí trượt đó là trượt mở và trượt đóng, vị trí ấn nútnghĩa là dừng Các điện trở với giá trị khác nhau được chuyển hướng bằng thiết bị chuyểnmạch để định dạng ba vị trí Chế độ thứ hai là qua Bộ điều khiển mạng vùng (CAN:Controller Area Network) Dây bus của bộ CAN được kết nối với SCU để chuyển đổithông tin từ bộ điều khiển trung tâm Khi động cơ ngừng, để cho an toàn, thiết bị roof sẽđược đóng một cách tự động, ở đây lệnh “đóng” được gửi trực tiếp qua dây bus của CAN.Khi thiết bị chuyển mạch trượt đến vị trí mở hoặc vị trí đóng, bộ SCU phát hiện đượctrạng thái này và điều khiển FET để làm hoạt động rơle Rơle được kết nối để điều khiểncác môtơ một chiều như một mạch cầu H Ưu điểm lớn của mạch cầu H là môtơ có thể

cách này Khi rơle hoạt động hoặc nghỉ, môtơ được kết nối hoặc không kết nối đến nguồnngay tức thì Ở đây gọi lần tác động này là khởi động nhanh hoặc ngừng nhanh Loại SCUnày sau đây được gọi là SCU truyền thống.

Trong những năm gần đây, sản phẩm thiết bị SCU mới sử dụng PWM (Pulse WidthModulation: điều chế độ rộng xung) để điều khiển nguồn MOSFET mà được đặt trong cácchuỗi mạch vòng chính của môtơ, để có được sự điều khiển với tốc độ thay đổi Bằng việcthay đổi chu trình hoạt động một cách trôi chảy từ 0% đến 100% và từ 100% đến 0%, môtơ

có thể được bắt đầu và ngừng một cách nhẹ nhàng Ở đây gọi thủ tục này là khởi độngmềm và ngừng mềm với PWM Hiện tại chỉ có một sản phẩm thuộc cấu trúc kiểu này,PWM sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong tương lai Một bộ SCU như vậy được gọi làPWM SCU

Một vòng ring từ tính nhỏ được gắn cố định xung quanh trục của môtơ, như minh họatrong Hình 5.2 Khi môtơ quay, từ trường được tạo ra khi vòng ring thay đổi Lần quay củatrục môtơ được đếm bằng con IC cảm biến Hall trong bộ SCU Sau khi kiểm định trongnhà máy, bộ SCU ghi nhớ vị trí mở hoàn toàn và đóng hoàn toàn Bằng phương pháp này,SCU sẽ ngừng môtơ một cách nhẹ nhàng khi panel kính được mở hoặc đóng hoàn toàn

2.1.3 Các vấn đề tương thích điện từ chính trong thiết bị sunroof

Theo đáp ứng từ nhà cung cấp hệ thống thiết bị roof và vấn đề gặp phải khi thiết kế vàthử nghiệm, chúng ta có những vấn đề EMC chính như sau:

• Khi đẩy công tắc lên, nhiễu tiếng ồn popping xuất hiện

• Khi môtơ đang chạy, nhiễu sẽ xuất hiện vì nhiễu sinh ra khi môtơ đảo chiều

• Trong tác động ngừng nhanh của PWM SCU, hoặc trong tác động khởi độngnhanh hoặc ngừng nhanh của SCU truyền thống, sinh ra tiếng ồn popping có thểnghe được thông qua băng tần AM của radio

• Khi môtơ đang vận hành trong chế độ PWM, chu trình hoạt động thay đổi giữa0% và 100%, EMI vượt trội trong một số băng tần Nó xảy ra trong tác động củakhởi động mềm hoặc ngừng mềm

Trong tiểu luận này sẽ phân tích các vấn đề trên để thấy các yếu tố nào hầu như liênquan đến những vấn đề này, và bằng cách nào chúng có thể được giải quyết một cách hiệu

2.2 CÁC MÔ HÌNH CHUNG

2.2.1 Mô hình cáp

Cáp được sử dụng trong hệ thống thiết bị sunroof để nối SCU với môtơ và nối SCU vớinguồn cung cấp Chúng được đặt gần nhau và song song với nhau Nếu chúng ta bỏ quacác chế độ bậc cao hơn và giả sử chế độ điện từ ngang (TEM: Transverse ElectroMagnetic)

là chế độ truyền theo đường thẳng, chúng ta có thể chia cáp thành đợt theo những phần nhỏcủa dây dẫn, và mỗi phần có thể được thay thế bằng một mô hình mạch tham số tập trungliên quan đến các tham số theo đơn vị độ dài

Hình 3.1 trình bày một đoạn dây có chiều dài ∆z tương đương với một mạch điện nhưsau:

Hình 3.1: Mạch điện tương đương của một đoạn gồm hai dây dẫn

Trong đó, R1 và R2 là điện trở của hai dây dẫn, L1 và L2 là điện cảm của hai dâydẫn, và C1 và C2 là điện dung giữa hai dây dẫn Bỏ qua độ dẫn điện của môi trường điệnmôi

Lí do tại sao ở đây tách các tham số cho hai dây dẫn là vì thông thường sợi cáp baogồm hai dây cân bằng nhau và không bao bọc

Mạch tương đương này có thể được sử dụng để dự đoán tín hiệu ở chế độ sai khác,

mà phạm vi chủ yếu là dưới 2 MHz

Trong phạm vi tần số cao, dòng chế độ chung (CM: Common Mode) trở nên chiếm

ưu thế và sự ảnh hưởng của tham chiếu cần phải được xem xét Vì hầu hết trong các trườnghợp, các dây đều được gắn cố định gần với thân xe, nên nó tạo ra tham số tạp nhiễu vàtham số này trở nên có hiệu lực khi ở tần số cao Mạch tương đương có dạng như chỉ ratrong Hình 3.2 sau:

Hình 3.2: Mạch cáp môtơ

Trong đó, C3 và C4 được thêm vào để đặc trưng cho điện dung giữa 1 dây dẫn vàtham chiếu, và C5 và C6 là điện dung giữa dây dẫn còn lại và tham chiếu Ở đây xem như

bỏ qua điện cảm tham chiếu Điện cảm tương hỗ giữa hai dây dẫn cũng không xét đến, bởi

vì vấn đề chính là dòng chế độ sai khác (DM: Differential Mode) giữa hai dây dẫn giớithiệu dòng CM trong tham chiếu như thế nào

Nếu độ dài bước sóng của thành phần tần số cao nhất từ nguồn tín hiệu dài hơnnhiều so với khoảng cách lớn nhất của dây truyền dẫn, chúng ta nói rằng dây truyền dẫnnày là “ngắn điện” Trong tình huống như vậy, sự phân bố dòng điện gần như đồng đềutrên dây dẫn Cáp có thể được thay thế bằng một đoạn mạch điện biểu thị đầy đủ đối vớicác tần số lên đến một vài MHz

2.2.2 Các tham số trên độ dài đơn vị (PUL: Per-Unit-Length) của cáp

Trong hệ thống thiết bị sunroof, vì yếu tố giá thành nên cáp nguồn-SCU và cápmôtơ là đôi dây không xoắn và không bọc

σ (3.1)

Trong đó, σ =5.8×107 m/S là điện dẫn suất của đồng

S là tiết diện của thanh đồng, có đơn vị là m2

l là độ dài của thanh đồng, có đơn vị là m

Do hiện tượng hiệu ứng bề mặt, dòng sẽ tập trung gần phía biên bên ngoài khi ở tần

số cao Độ sâu bề mặt được xác định như sau:

1 [ ]

0

m

fµ σπ

δ = (3.2)

Do đó, đơn vị độ dài điện trở của sợi dây sẽ thay đổi theo tần số, theo công thức sau:

Đối với cáp điển hình được sử dụng trong thiết bị SCU, với cỡ dây theo tiêu chuẩn

Mĩ AWG18 (AWG: American Wire Gauge), nó là một dây dẫn gồm 19 sợi dây có bánkính 0.127mm, ta có thể tính điện cảm và điện dung bên ngoài của nó xấp xỉ của một sợidây có đường kính 1.02 mm

Hình 3.3 cho thấy điện trở theo tần số của một mẫu cáp môtơ

với với

(3.3)

Hình 3.4: Điện cảm giữa hai dây dẫn song song

Công thức 3.4 cho thấy độ tự cảm trong hai sợi cáp có bán kính bằng nhau:

)ln(

10

r

d l

L= × × − × [H] (3.4)Cũng với cáp AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách của hai sợi cáp là 2 cm và độ dài là 1

m thì điện cảm của nó bằng 1.47µH.

Vì cáp được đặt trên bề mặt của thân xe, ta sẽ xét đến ảnh hưởng của mặt tiếp đất

Trong Hình 3.5, dây dẫn được đặt cách mặt tiếp đất một khoảng h Dây dẫn này mang dòng

năng lượng và mặt phẳng tiếp đất mang năng lượng trở về dòng

Hình 3.5: Điện cảm giữa dây dẫn và bề mặt kim loại

Công thức 3.5 đưa ra độ tự cảm của dây dẫn qua mặt tiếp đất

L 2 10 7 ln 2

[H] (3.5)

ln

10778

[F] (3.6)

Hơn nữa với cáp loại AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách giữa hai sợi cáp là 2 cm

và chiều dài cáp là 1 m Điện dung giữa chúng là 7.5pF

Công thức 3.7 cho ta điện dung giữa một sợi dây và mặt tiếp đất là:

C

2ln

10556

[F] (3.7)

Với cáp loại AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách giữa cáp và mặt tiếp đất là 5 cm

và độ dài là 1 m Điện dung giữa chúng là khoảng 10.5pF

Hình 3.8: Một đoạn của dạng sóng hình thang tuần hoàn

Ở đây, τr là thời gian lên, τf là thời gian xuống, T là chu kì của dạng sóng, τ là

thời gian mà biên độ lớn hơn 1/2 biên độ cực đại Tham số quan trọng khác là chu trình

τ

Hai đường tiệm cận có thể được sử dụng để vẽ các giới hạn đối với biên độ phổ củatín hiệu tuần hoàn trên.

Hình 3.9 cho thấy hai đường tiệm cận của phổ tín hiệu đối với dạng sóng hìnhthang

Hình 3.9: Các đường tiệm cận của phổ có dạng sóng hình thang

Bằng cách thay đổi một số tham số thiết kế, chúng ta biết tác động của các tham sốnày

• Bằng việc giảm thời gian lên và xuống, tần số góc thứ hai sẽ di chuyển đến một tần

số thấp với cùng chu trình làm việc

• Tần số góc thứ nhất sẽ di chuyển đến tần số thấp bằng cách giảm tốc độ lặp lại vớicùng chu trình làm việc

• Việc giảm chu trình làm việc làm giảm nội dung phổ tần số thấp của dạng sóng,nhưng nó không có bất kì ảnh hưởng nào đến tần số cao

Một dạng sóng đặc biệt khác đã thảo luận ở đây là dạng sóng hình tam giác, mà rấtphổ biến trong gợn sóng dòng điện chuyển mạch Dạng sóng tam giác điển hình được chỉ

ra trong Hình 3.10

Hình 3.10: Một đoạn dạng sóng tam giác tuần hoàn

Dạng sóng tam giác có thể được đề cập đến như một trường hợp đặc biệt của dạngsóng hình thang, trong đó chu trình hoạt động là 50% Theo các tác động của các tham sốchúng ta đã thảo luận trước đó, chu trình hoạt động không có tác động quan trọng nào tạitần số cao, và tham số quyết định vẫn là thời gian lên và thời gian xuống, quyết định tần sốgóc thứ hai

Dạng sóng đặc biệt sau cùng hầu như xuất hiện trong dòng điện của điốt quán tính.Thời gian lên của biên trước rất ngắn, thông thường là 100ns Biên xuống theo một đườngcong hàm mũ

Hình 3.11: Một đoạn của dạng sóng tuần hoàn

Đối với các chuỗi Fourier, chúng ta có hệ số giãn nở như sau:

xạ phát ra được chỉ ra trong Bảng 3.1:

Bảng 3.1 Yêu cầu để bức xạ phát ra

Phạm vi tần số(MHz)

Mức nhiễu loạn cho phép (dBµV)

Băng hẹp Băng rộng

0.15 – 0.45 Không yêu cầu Không yêu cầu

Theo các thử nghiệm thì không có trục trặc gì khi tần số vượt quá 30MHz đối vớinhiễu băng hẹp Do đó, chúng ta tập trung vào tần số 450kHz đến 30MHz và thiết lập20dBµV/m bằng đường cơ sở đối với nhiễu băng hẹp Băng chặt nhất đối với nhiễu băng

rộng là 30MHz đến 400MHz, với một giới hạn là 25 dBµV/m.

2.2.4.2 Trường gần và trường xa

Miền trường được chia thành trường gần và trường xa Đường biên phụ thuộc vàotần số và khoảng cách vật lí đến nguồn Theo quan điểm vật lí, mặt đầu sóng lan truyềntheo dạng hình trụ trong trường gần và lan truyền theo dạng hình cầu trong trường xa.Trong trường gần, năng lượng phản kháng vượt trội hơn so với năng lượng bức xạ

Hình 3.12: Đóng góp chiếm ưu thế của thành phần trường gần và trường xa

Hình 3.12 chỉ ra giới hạn giữa miền trường gần và miền trường xa thích ứng với tần

số

Ở đây, ăng-ten được đặt cách bộ phận đang thử (DUT: Device Under Test) 1m trongphép đo bức xạ phát ra Ở đây vẽ các khối để chỉ ra các phạm vi tần số quan tâm trongHình 3.7 Rõ ràng Hình 3.12 cho thấy tất cả các nhiễu băng hẹp và phần chính của nhiễubăng rộng từ DUT là chế độ bức xạ trường gần

Ở đây, β0 =2π/λ, θ là góc điểm cực đến bán kính r, và độ dài của dây dẫn ngắn dl<<λ

Đối với một lưỡng cực từ, vectơ cường độ trường như sau:

r là khoảng cách từ nạn nhân đến nguồn, đơn vị m

Công thức này chỉ hợp lệ trong trường hợp đối với trường xa bởi vì toán hạng thứhai và thứ ba trong Công thức 3.11 có thể bỏ qua

Để dự đoán trường điện tối đa trong trường gần, mà đúng với tần số thấp, nên sử dụng hệ

số sau:

Cũng với giả sử trên, bức xạ phát ra tối đa do các dòng chế độ chung là:

Trong đó: L là độ dài của dây dẫn, đơn vị m.

Mô hình của một chuyển mạch lí tưởng có được bằng cách giả định:

• Thời gian chuyển tiếp đối với việc mở hoặc đóng chuyển mạch càng ngắn càng tốt

• Các quá trình chuyển tiếp của việc mở hoặc đóng thì chắc chắn và không có hiệntượng nảy lên

• Khi chuyển mạch đóng, điện trở bằng không

• Điện cảm kí sinh trong cầu chì của bộ chuyển mạch có thể bỏ qua

Hình 4.1 trình bày mạch tương đương được đơn giản hóa của bộ SCU Trong đó các bộchuyển mạch được sử dụng để mô phỏng tiến trình của sự kiện đóng và mở của rơle, vàmôtơ được đặc trưng bằng R1và L1

Hình 4.1: Mô hình chuyển mạch lí tưởng

Áp dụng định luật điệp áp Kirchhoff (KVL) và định luật dòng điện Kirchhoff choHình 4.1, ta có được công thức sau:

Trong đó V1 là điện áp giữa hai đầu nối của chuyển mạch và i là dòng điện chạydọc theo vòng dây Khi chuyển mạch U1 đang đóng, dòng sẽ tăng theo hàm mũ đến V s / R1với hằng số thời gian của L1/ R1 Trong quá trình chuyển tiếp khác, khi chuyển mạch được

mở với giả sử thời gian chuyển tiếp bằng không, dòng trên mạch vòng i đột ngột thay đổi

về 0 Tại thời điểm đó, điện áp qua điện cảm L1(di/dt) lớn vô cùng, và điện áp qua chuyểnmạch cũng lớn vô cùng để làm cho Công thức 4.1 cân bằng Không một thiết bị nào trongthực tế chịu được điện áp vô cùng, vì vậy phải có một trường hợp khác đối với mạch thựctế

2.3.2 Mô hình hóa chuyển mạch thực tế

Trong mạch thực tế, điện dung kí sinh giữa hai đầu cuối của tải cần phải được xemxét Hình 4.2 trình bày một mô hình cải tiến

Hình 4.2: Mô hình cải tiến của chuyển mạch (1)

Bằng cách thêm vào tụ điện, khi một chuyển mạch được mở, năng lượng dự trữtrong các cuộn dây sẽ không tạo ra điện áp vô cùng, nhưng nạp cho tụ điện C1 Năng lượngnày sẽ không thay đổi qua lại giữa điện dung C1 và điện cảm L1 sau khi đạt điện áp cựcđại, và được tiêu thụ bởi R1 Dao động này tắt dần và giảm về không khi kết thúc

Bằng cách giải phương trình vi phân bậc hai, chúng ta biết được tần số của dao độngnày là:

1 1 1

2

1

C L

1

1 0 max

L i

Hình 4.3: Mô hình cải tiến của chuyển mạch (2)

Ở vấn đề thực tế, nó phù hợp với phương pháp mô hình cáp theo lí thuyết truyền dẫn Khicáp bị ngắn về mặt điện, nghĩa là:

Chúng ta hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra trong chuyển mạch khi đóng và mở

Khi chuyển mạch đóng, V s nạp cho C1 thông qua R2, L2, C2, dòng điện được tíchlũy đến cực đại rất nhanh và sau đó giảm dần đến dòng DC tới hạn Trong hầu hết các tìnhhuống, sự giảm dần này đi kèm một dao động có tần số xấp xỉ:

1 2

2

2

1

C L

f

π

= (4.5)

Quá trình chuyển tiếp khi mở của chuyển mạch S1 gồm hai dao động xuất hiện tạiphần nguồn và phần tải của mạch này Một dao động được tạo ra tại phần tải, đã nói đến ởphần trước Một dao động khác xuất hiện trong vòng mạchR2, L2, C2, và tần số của nóbằng:

2 2

3

2

1

C L

Bằng cách mô phỏng trên máy tính, chúng ta biết rằng dao động sẽ được tạo ra chỉnếu thời gian chuyển mạch đủ ngắn Chúng ta định nghĩa tham số sau:

Hình 4.4: Dạng sóng của dao động khi P1 =1

Hình 4.5 trình bày dạng sóng của dao động khi P1 =10.

Hình 4.5: Dạng sóng của dao động khi P1=10

Khi điều kiện theo sau được thỏa mãn, dao động sẽ trở thành một quá trình quá độphẳng trong mạch RLC

25

1 >

P (4.8)

Đó là một tiêu chuẩn để tránh dao động Chúng ta phải lựa chọn P1 lớn hơn 25.Dạng sóng quá độ này có thể được thấy trong Hình 4.6.

Hình 4.6: Dạng sóng của dao động khi P1 =25

Trở kháng sẽ quyết định thời gian suy giảm của dao động Dao động này sẽ suygiảm một cách nhanh chóng nếu điện trở đủ lớn Hình 4.7 chỉ ra sự so sánh giữa hai cấuhình khi R2 =0.5Ω và R2 =5Ω

Hình 4.7: So sánh dạng sóng của dao động khi P2 =20 và 2

Tiêu chuẩn tương tự có thể đạt được bằng cách mô phỏng Chúng ta định nghĩa P2như sau:

RC

P = τ

2 (4.9)

2

P phải được chọn nhỏ hơn 2 để tránh dao động

Sự thay đổi đột ngột của dòng điện cũng là một hệ số quyết định biên độ của dao động.Hình 4.8 trình bày sự so sánh giữa các sự thay đổi dòng điện sai khác

Hình 4.8: So sánh dạng sóng của dao động với sự biến đổi dòng điện sai khác

Kết luận: dao động có thể được chặn bởi thủ tục theo sau:

• Tăng thời gian quá độ của chuyển mạch

• Chèn thêm sự suy giảm đủ để làm tắt dần dao động

• Làm giảm sự thay đổi đột ngột dòng điện bằng cách chọn một cấu hình mạng tốt

2.4 MÔTƠ

2.4.1 Cấu trúc của môtơ

Khi mô tả một môtơ đặc trưng, vài thuật ngữ được sử dụng trong kết nối với môtơ

sẽ được định nghĩa đầu tiên một cách rõ ràng Chúng ta sử dụng thuật ngữ theo sau trongtài liệu này:

• Vòng: là một vòng quay hoàn chỉnh của dây dẫn Thông thường mỗi vòng trongđộng cơ nam châm vĩnh cữu DC (một chiều) bao gồm một bó dây dẫn, và mỗi dây dẫnđược bao bọc bằng vật liệu cách điện để tách rời từng dây với nhau.

• Cuộn dây: Mỗi cuộn dây bao gồm nhiều vòng, và phần cuối của các cuộn dây đượchàn dính vào bộ góp điện Nó được xem như là cuộn dây phần ứng điện

• Rôto: là phần quay bên trong của Stato Khe cắt dọc theo bề mặt của rôto chứa cuộndây phần ứng điện Rôto còn được gọi là phần ứng

• Bộ góp điện: là một bộ chuyển mạch cơ được lắp ráp bằng một vòng các đoạn kimloại đồng hay còn được gọi là thanh đồng Khi rôto quay giữa các cực và đi qua một gócđặc biệt, lực quán tính sẽ làm cho chổi quét tiếp xúc với thanh đồng kế tiếp, vì vậy lực điện

từ được gắn vào rôto giữ cùng hướng

• Trục: được dùng để chuyển đổi phần quay sang tải qua một đường ren xoáy ốc Mộtvòng sinh từ được gắn cố định trên trục Do vậy, IC cảm biến Hall trong bộ SCU có thểphát hiện phần quay của trục

• Chổi quét: Thông thường, nó được làm từ than chì graphit và có hệ số điện trở thấp.Nhờ thanh đẩy lò xo phía sau, nó giữ việc tiếp xúc với bộ góp điện khi nó trượt trên bề mặtcủa nó

• Vỏ: là một hình trụ kim loại rỗng và có nắp Nó cũng còn được gọi là khung hoặclớp bọc Trong hầu hết các môtơ, các tụ triệt ghép và các bộ cảm biến được tích hợp bêntrong bề mặt nắp

• Stato: là một phần hình trụ xung quanh rôto nhằm tạo ra trường từ Trường từ có thểđược tạo ra bởi một dòng điện trong cuộn dây stato hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu,nhưng ở đây chúng ta nói đến stato sử dụng nam châm vĩnh cửu Các cực luân phiên giữahướng bắc và hướng nam xung quanh stato Nếu chỉ có một cặp các cực bắc và nam đốivới stato, chúng ta gọi nó là môtơ 2 cực Stato được gắn vào thành trong vỏ môtơ

Hình 5.1 đến 5.3 trình bày các hình ảnh về mỗi bộ phận của môtơ

Hình 5.1: Nắp môtơ bao gồm chổi quét và mạch triệt

Hình 5.2: Rôto của môtơ

Môtơ chúng ta sẽ nghiên cứu là môtơ nam châm vĩnh cữu có hai cực, 8 cuộn dâyphần ứng Trong môtơ này, có tính luôn cả mạch triệt Một tụ điện được mắc sun với cácđầu cực của môtơ trong khi hai tụ điện kia nối các đầu cực với vỏ môtơ Ở đây, chúng tagọi tụ điện mắc sun là tụ triệt mắc sun, hai tụ còn lại là hai tụ triệt nối đất Mạch triệt điểnhình được minh họa trong Hình 5.4.

Hình 5.4: Mạch triệt và vị trí của nó 2.4.2 Mô hình của cuộn dây

Lí thuyết để mô hình hóa một cuộn dây được dựa trên việc giả sử rằng cuộn dây làmột hộp đen 4 cực Phương pháp này được tìm thấy trong một số tài liệu trình bày mô hìnhcuộn dây trong môtơ AC (xoay chiều) Cuộn dây được xem như một sự kết hợp của cácđiện trở, các cuộn cảm và các tụ điện

Đầu tiên, chúng ta đo trở kháng giữa hai cực cuộn dây môtơ Phép đo đã được thựchiện trong phạm vi tần số từ 42Hz đến 5MHz Mối liên hệ giữa điện cảm tương đương vàtần số được chỉ ra trong Hình 5.5 Điện cảm tương đương của một cuộn dây trong 1MHzbằng 1/8 giá trị đo được ở 42Hz Kết quả này cho thấy rằng mô hình cuộn dây này ở tần sốcao (HF) thì phức tạp hơn mô hình mạch RL mắc nối tiếp ở tần số thấp (LF)

Hình 5.5: Điện cảm tương đương theo tần số của một cuộn dây trong môtơ DC

Nền tảng của mô hình là mạch RL mắc nối tiếp Một bộ cảm biến đặc trưng chođiện cảm ghép tự cảm và hỗ cảm trong số các cuộn dây Điện trở được giới thiệu để môhình hóa điện trở của dây dẫn Mặc dù giá trị sẽ thay đổi đối với hiệu ứng bề mặt và hiệuứng lân cận ở những tần số khác nhau, ở đây nó được xem như giá trị trung bình cố định

Lí do tại sao điện cảm giảm ở tần số cao là do điện dung liên điểm rẽ ảnh hưởng đến

sự gia tăng tần số Điện trở cản của tụ điện kí sinh cũng cần được xem xét Bằng cách chènthêm mạch RC nối tiếp mắc song song với mạch RL gốc, chúng ta có một phiên bản chínhcủa mô hình cuộn dây

Trong thủ tục tiếp theo, chúng ta xem xét đến tổn hao sắt trong AC Một điện trởđược mắc song song với mạch RC đặc trưng cho sự tổn hao này Nó làm cho trở kháng đầucuối đến đầu cuối thấp hơn một giá trị hợp lí

Sau đó, xem xét đến điện dung kí sinh Nó hình thành giữa cuộn dây và lõi sắt cũng nhưgiữa cuộn dây và vỏ Bằng cách mắc thêm một mạch chuỗi RC nối tiếp giữa cực và đất,điện dung kí sinh và điện môi tổn hao qua đường truyền xuống đất được xem xét

Chúng ta có mô hình đầu tiên cho một cuộn dây ở tần số cao như Hình 5.6 chỉ ra:

Hình 5.6: Mạch tương đương tần số cao của một cuộn dây (1)

Mô hình này được phê duyệt qua phép đo trở kháng của đầu cuối đến đầu cuối vàđầu cuối đến đất mà được thực hiện trên một môtơ thử nghiệm Để cho chính xác, mạchtriệt đã được bỏ đi

Việc chọn giá trị của các thành phần này cho mô hình thì rõ ràng là quan trọng vàkhó khăn Ngôn ngữ MATLAB được sử dụng để so sánh giá trị trở kháng được tính toánđối với kết quả đo Bằng cách điều chỉnh đường cong, chúng ta cập nhật mô hình cuộn dâyvới các giá trị điều chỉnh Thủ tục này được gọi là phương pháp “back-annotation” Nócũng có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật số Chúng ta tăng mật độ của các điểm tần sốxung quanh tần số cộng hưởng để tăng độ chi tiết Bởi vì việc quấn các cuộn dây và sựphân bố điện dung kí sinh thì không đồng đều, nên tần số cộng hưởng không giống nhaugiữa các kết quả kiểm tra trở kháng Sai lệch trong khoảng 10% Ở đây chúng ta sử dụngkết quả kiểm tra điển hình để mô hình hóa cuộn dây

Các đường cong của trở kháng đo được như chỉ ra trong Hình 5.7:

(a) Đầu cực với Đất (b) Đầu cực với Đầu cực

Hình 5.7: Đường cong đặc tính của trở kháng (đo được)

Các tần số cộng hưởng có thể dễ dàng quan sát được qua phép đo Có hai tần

số cộng hưởng quan sát được Mô hình được tạo ra bằng hai mạch LC song song được mắcnối tiếp Nó được chỉ ra trong Hình 5.8

Hình 5.8: Mạch tương đương ở tần số cao của một cuộn dây (2)

Bằng cách đo, ước lượng ban đầu của các tham số điện trở và phản kháng có thể đạt được

• Phạm vi tần số từ DC đến 100Hz, ta có được R DC =0.45Ω, L LF =260µH.

• Vì các tần số cộng hưởng nằm tại 1.2MHz và 6MHz (bằng phép ngoại suy), chúng

ta có được ước lượng ban đầu của các tham số phản kháng, L1, C1, L2 và C4.Chúng có thể được quyết định bằng cách giải phương trình sau:

Trong đó, L là điện cảm có đơn vị là HF, có thể suy đoán bằng 1/3 L LF

• Giá trị của R3 và R6 đoán được qua công thức:

R=R3 +R6 (5.4)Trong đó, R là điện trở dây dẫn tại tần số cao Nó có thể được đoán bằng 2 lần R DC

• Giá trị của R1 và R4 được khởi tạo bằng trở kháng đỉnh tại hai tần số cộng hưởng

• Bằng cách sử dụng kết quả đo trở kháng của đầu cực với đất, có thể quyết định điệndung khung cuộn dây C2 và C3

Các giá trị này là các giá trị được khởi tạo đối với phương pháp “back-annotation”.Tiếp tục thay đổi chúng trong mỗi vòng thử nghiệm cho đến khi kết quả tính toán tươngứng tốt với phép đo Mô hình cuối cùng của cuộn dây môtơ được chỉ ra trong Hình 5.9

Hình 5.9: Mô hình tần số cao của một cuộn dây trong môtơ DC

Đối với mô hình này, trở kháng được tính toán của đầu cực với đầu cực và đầu cựcvới đất theo tần số được minh họa dưới đây:

(a) Đầu cực với đất (b) Đầu cực với đầu cực

Hình 5.10: Đường cong đặc tính trở kháng (mô phỏng)

Mô hình này cho thấy sự thỏa thuận rất tốt với kết quả thử nghiệm Mạch này đượcđóng gói thành một mô hình macro và có thể được ứng dụng trong tương lai

2.4.3 Mô hình hóa sự đảo chiều

Khi môtơ có đủ lực xoắn, rôto bắt đầu quay và sự đảo chiều xảy ra Bốn pha của đảochiều của môtơ DC được chỉ ra trong Hình 5.11 Sau pha (d), môtơ trong pha (a) lặp lại vàdẫn đến một chu kì mới khác

Trước khi đảo chiều, dòng điện tách giữa các đường dẫn song song trong vòng xoắnmôtơ như trong Hình 5.11(a) Khi bắt đầu đảo chiều, một trong những cuộn dây của mỗitrình tự trong môtơ được làm ngắn trước khi đảo chiều dòng điện trong cuộn dây đó Nănglượng được lưu trữ trong cuộn dây sẽ tạo ra một sự tăng vọt điện áp giữa các phần cuối đảochiều.

Một vài tình huống khác xảy ra khi ngừng đảo chiều Có ba cuộn dây trong haiđường dẫn song song khi môtơ trong khi đảo chiều Thêm một cuộn nữa tham gia đườngdẫn song song trong pha (d) Sự thay đổi đột ngột của dòng điện trong cuộn dây dẫn đếnmột điện áp kích thích như trong Hình 5.11(d)

Các nguồn nhiễu này kích thích cáp môtơ qua một đường dẫn tần số cao như Hình5.12 trình bày Dòng điện chế độ chung này sẽ là nhiễu băng rộng và bức xạ hiệu quả từcáp môtơ

Hình 5.12: Dòng điện chế độ chung được tạo ra như thế nào

Một mạch đơn giản được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi đột ngột của lưu lượngdòng trong đường truyền năng lượng xảy ra khi đảo chiều Phép đạo hàm theo phươngpháp toán học cũng được đưa ra nhằm giải thích sự tạo ra EMI từ quan điểm về nănglượng

Hình 5.13: Mô hình đảo chiều được đơn giản hóa

Mỗi sự đảo chiều được mô hình hóa khi mở hoặc đóng chuyển mạch như được chỉ

ra trong hình trên, S1 được mở và được đóng bởi nguồn điện áp Khi L2 được làm ngắn, nócùng tiến trình với khi bắt đầu đảo chiều S1 mở đặc trưng cho tiến trình ngừng đảo chiều

Ở đây, chúng ta có sự dự đoán của lưu lượng dòng vào L1 và L2

Hình 5.14: Kết quả mô phỏng của dòng điện trong cuộn dây

Bây giờ, chúng ta đưa ra một đạo hàm sử dụng lí thuyết mạch Chúng ta cũng chiadạng sóng thành 4 pha, trong pha (a), dòng của L1 đang tăng lên; trong pha (b), dòng bắtđầu giảm; trong pha (c), dòng tiếp tục giảm; trong pha (d), dòng thay đổi đột ngột Chúng

ta khai triển nó theo trục thời gian để nhìn được rõ hơn

Hai đường tiệm cận được minh họa bằng đường nét đứt là hai giá trị dòng điện tớihạn nếu chu kì đủ dài