EMI静噪滤波器(EMC・噪声对策)服务机器人的噪声对策-3(3/3)

目录

10关于抗扰度(近距离照射抗扰度)

下面进行无线通信电波近距离照射抗扰度试验。由于此试验没有官方噪声标准,因此我们构建了自己的测量系统。
假定外部电波为LTE和WiFi通信电波,在相应的700MHz-2600MHz频段每隔100MHz以10MHz的步长放射电波,并通过电机转速和电流消耗来确认电机的行为是否发生变化。

近距离照射抗扰度测量系统

近距离照射抗扰度测量系统图片

■ 测试条件

照射的电波频段
700MHz-2600MHz(假定外部电波为处于此频段的LTE和无线LAN通信电波)
每隔100MHz以10MHz的步长进行抗扰度测试
照射的电场强度
10V/m以上,每个频率照射5秒,脉冲调制0.2kHz,Duty50%
接近距离
5cm
使用宽带套筒天线(型号为NKU07M32G,由NoiseKen制造)。
电机连续运转1个周期(正转1.5秒,反转1.5秒)。
监控主IC内部的计数器以测量电机转速和电机电流消耗。

下图左侧显示电机正常运行时的电机转速和电流波形。查看转速可以发现每隔1.5秒就重复一次正转和反转。另一方面,看电流波形则会发现有特征性变化。切换电机旋转方向的瞬间流过大电流(本例中为605mA),之后稳定为小电流(100mA)。进行抗扰度试验时,进行该反转时的电流最大值增加。由此可知它受到了外部噪声的影响。此外,该变化量的影响程度根据所照射的电波的频率而有差异。

无电波照射(初始为0V/m)

无电波照射图表
  • 初始状态下的电机转速和电流消耗

有电波照射

有电波照射图表

11抗扰度问题发生的机制及对策

推测此问题按照以下机制发生。
当外部电波作为噪声照射时,噪声与基板导线等通过共模相结合。电机的运行由安装在基板上的主IC控制,电机和主IC之间由反馈电路构成,因此共模结合后的噪声叠加在反馈信号上。混有噪声的反馈信号输入到主IC后,部分共模噪声会在IC内部转换为差模。主IC接收到混入了噪声的错误反馈值后,会输出错误的控制信号。在本例中,流过的电流超过了电机旋转所需要的电流,因此多余的电流被作为无用的能源浪费掉了。
在这种情况下,从输入到主IC的反馈信号中去除共模分量的噪声是有效的。由于三相电机的反馈信号由3线组成,因此使用了3线相结合的共模扼流线圈(CMCC)。

推测的噪声产生机制和对策

电机控制电路(概略图)
  1. 照射外部噪声
  2. 共模(噪声)叠加
  3. 在主IC内部,部分共模被转换为差模(噪声叠加在反馈信号上)
  4. 主IC错误识别电机的实际运行状态并流过过剩的电流
  5. 电机旋转所不需要的电流被作为热量消耗掉(浪费的能量)

12 抗扰度对策的效果

应用共模扼流线圈后进行相同的测试时发现,流过电机的最大电流的增加量显著减小。
通过这种方法,即使有外部噪声进入,也能防止电机控制受到干扰。此外,由于没有不必要的电流流动,因此可以防止电池容量的浪费。

对策实施后的最大电流变化

对策实施后的最大电流变化图表

添加3线CMCC可降低最大电流。抑制主IC的误动作

延长电池寿命并节省能源

13总结

由于服务机器人用于家庭环境,因此噪声对策很重要。在发射问题中,人们关注的是由电机驱动器产生的开关噪声放射引起的问题。在抗扰度问题中,外来噪声会进入驱动器的反馈信号线,并将错误的控制信号传输到电机,导致其可能产生误动作。

  • 作为发射对策,请在连接器附近安装噪声滤波器,连接器附近是连接到驱动器IC的电缆的安装部分。
  • 作为抗扰度措施,在反馈信号线上使用共模扼流圈。由于反馈信号线为3线构成,因此共模扼流线圈也选择3线型。

此次介绍的滤波器(用于发射对策)

噪声滤波器NFZ系列

这是一款可以应对大电流的小型噪声滤波器。可以根据噪声的频率选择常数。

铁氧体磁珠BLT5BPT系列

支持最大为11A的大电流。最高工作温度为150°C,可在任何地方使用。

此次介绍的滤波器(用于抗扰度对策)

共模扼流线圈 3线CMCC

可以根据噪声的频率选择商品。

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