Yazar: Michele Lorusso ve Soudeh Tavousi
Elektromanyetik girişim (EMI), drone itki sistemlerinin test edilmesinde yaygın ve genellikle can sıkıcı bir sorundur. EMI ile bağlantılı belirtiler, özellikle motorların, ESC'lerin ve ölçüm elektroniklerinin aynı anda çalıştığı yüksek güçlü test düzeneklerinde test kesintilerine yol açabilir.
Uygulamada EMI'nin tek bir kaynağa izini sürmek zor olabilir. Birden fazla müşteri test sistemindeki deneyimlerimize dayanarak, EMI kaynaklı sorunlar genellikle dikkatli yerleşim, kablolama ve topraklama uygulamalarıyla çözülür. Pasif önlemlerin yeterli olmadığı durumlarda, hassas elektronik bileşenleri daha fazla izole etmek için aktif azaltma teknikleri kullanılabilir.
Bu makale, drone testlerinde EMI'nin yaygın kaynaklarını ve bunu azaltmak için kullanılabilecek pratik yöntemleri özetlemektedir.
Şekil 1: Flight Stand 15 ile drone itki testi düzeni
İçindekiler
- Drone testlerinde EMI kaynakları
- İtki sistemi bileşenleri
- Test ekipmanları
- Test ortamı
- EMI nasıl azaltılır
- EMI nasıl ölçülür
- EMI azaltma iş akışı
- Pasif EMI azaltma teknikleri:
- Kablolama düzenlemeleri
- Toprak döngüleri ve topraklama
- Mekanik EMI kaynakları ve izolasyon
- Ferrit boncuklar ve EMI filtreleri
- Bağlantılar
- Aktif EMI azaltma teknikleri:
- Toprakların izole edilmesi
- Örnek: optokuplör
1. Drone Testlerinde EMI Kaynakları
EMI genellikle sürekli arızalar yerine kesintili bağlantı kopmaları şeklinde kendini gösterir ve bu da kök nedeni tespit etmeyi zorlaştırır.
EMI hem mekanik hem de elektriksel kaynaklardan kaynaklanabilir. Mekanik kaynaklar arasında ateşleme başlatıcıları veya röleler gibi bileşenlerden kaynaklanan kıvılcımlar veya kesintili temaslar bulunurken; elektriksel kaynaklar arasında yüksek hızlı anahtarlama elektroniği, güç dönüştürücüleri ve dijital kontrol sinyalleri yer alır. Kaynağın doğasını anlamak, azaltma çalışmalarına nereden odaklanılacağını belirlemeye yardımcı olur.
Aşağıda drone testlerinde EMI'nin yaygın bazı kaynakları verilmiştir.
İtki sistemi bileşenleri
Drone test ortamlarında EMI, öncelikle yüksek güç çeken veya hızla anahtarlama yapan bileşenler tarafından üretilir. Motorlar ve ESC'ler, özellikle yüksek akım geçişleri ve PWM anahtarlaması nedeniyle önemli katkıda bulunur. Yüksek voltajlı batarya hatları da gürültü yayabilir ve uzun kablo mesafeleri anten görevi görebilir.
Şekil 2: Flight Stand 50'ye monte edilmiş drone itki sistemi
İtki testi düzeniniz için yeni bir bileşen satın aldığınızda, kullanıcı kılavuzunu dikkatlice okuduğunuzdan ve EMI azaltma ile ilgili özel talimatları aradığınızdan emin olun. Sistemde ek EMI oluşturan bazı ESC ve soğutma pompası modelleriyle karşılaştık. Bileşen üreticileri genellikle kılavuzlarında ve veri sayfalarında ek EMI azaltma adımları sunar; bu nedenle ipuçları için bu belgeleri kontrol edin.
Test ekipmanları
Ölçüm üniteleri ve harici güç kaynakları gibi test ekipmanları sistemi daha da karmaşıklaştırır. Bu bileşenler daha fazla kablolama, ek topraklama yolları ve gürültünün hassas elektroniklere sızabileceği daha fazla fırsat yaratır.
Aşağıda, Flight Stand test standı, motor, ESC, batarya, Elektriksel Ölçüm Ünitesi (EMU) ve Sync Hub ile düzgünce düzenlenmiş bir drone testi düzeninin şeması verilmiştir:
Şekil 3: Doğru yapılandırılmış bir itki testi düzeni
Sistem bileşenlerini bu şekilde bağlamanın yanı sıra, mümkün olduğunda cihazları doğrudan bilgisayara bağlamanızı ve USB çoklayıcı kullanmaktan kaçınmanızı öneririz.
Test ortamı
Çevresel koşullar EMI davranışını ince ama önemli şekillerde etkileyebilir.
Sıcaklık, yarı iletken anahtarlama davranışını etkiler; daha sıcak cihazlar genellikle biraz daha yavaş anahtarlama yaparken, daha soğuk cihazlar yüksek frekanslı emisyonları artıran daha keskin kenarlar üretir. Osilatörler ve saatler ise sıcaklıkla sapma gösterebilir.
Nem, emisyonları doğrudan etkilemekten ziyade öncelikle yüzey iletkenliğini ve etkileşimi etkiler. Düşük nem, statik yük birikimini ve ESD riskini artırırken; yüksek nem, kablolar ve PCB'ler üzerinde yüzey sızıntısını artırabilir ve yayılmış alanları hafifçe zayıflatabilir.
Sıcaklık ve nem birlikte havanın dielektrik özelliklerini değiştirerek elektromanyetik yayılımı ve anten etkileşimini hafifçe etkileyebilir.
Bu etkiler genellikle küçük olsa ve çoğu zaman 1 ila 3 dB'in altında kalsa da, EMI sorunlarının tekrarlanabilir arızalar yerine kesintili bağlantı kopmaları olarak görünmesine neden olan değişkenliklere katkıda bulunabilir.
2. EMI Nasıl Azaltılır
EMI nasıl ölçülür
İtki testi düzenindeki EMI, yayılım kaynaklarını ve etkileşim yollarını belirlemek için yaygın olarak yakın alan ölçümleri ve frekans alanı analizi kullanılarak değerlendirilir.
İlk EMI değerlendirmesi için önerilen ekipmanlar arasında şunlar bulunur: toprak döngülerini kontrol etmek için bir osiloskop ve daha ayrıntılı frekans analizi için bir spektrum analizörü.
Şekil 4: Bir osiloskop (sol) ve bir spektrum analizörü (sağ)
Daha gelişmiş EMI analizi için Tyto'daki ekibimiz, güç ve sinyal hatlarındaki anahtarlama davranışıyla spektral yayılımları ilişkilendirmek üzere manyetik yakın alan probu, hat içi düşük gürültülü ön yükseltici, giriş koruması ve doğrusallık için sabit bir zayıflatıcı ve diferansiyel proba sahip bir osiloskop dahil ek ekipmanlar da kullanmıştır. Temel sorun giderme için bu ek ekipmanlara gerek yoktur.
Şekil 5: Bazı durumlarda yararlı olan ancak temel EMI sorun giderme için gerekli olmayan yüksek voltajlı diferansiyel prob
Enstrüman tabanını belirlemek için tüm ekipmanları kapatın ve manyetik alan probunu gövdeden tutarlı bir mesafede, sabit bir geometriyle, sabit bir empedans yoluyla, sabit bant genişliği ayarlarıyla ve sabit bir ön yükseltici yapılandırmasıyla yakın alan taraması yapın; ardından elde edilen temel seviyeyi karşılaştırma için yerel gürültü tabanı olarak kabul edin.
Motorları, ESC'leri, kabloları ve gövde yüzeylerini taramak için manyetik yakın alan probunu kullanın. Yayılımlar geniş bir frekans aralığında gözlemlenir ve yerel gürültü tabanına göre yorumlanır; yükseltilmiş frekans bantları (tabanın yaklaşık 20 dB üzerindeki her şey) daha fazla inceleme ve azaltma için işaretlenir.
EMI azaltma iş akışı
EMI kaynaklı sorunlar meydana geldiğinde önerilen yaklaşım, pasif EMI azaltma teknikleriyle başlamaktır. Bu yöntemler yeni elektronik eklemek yerine kablolama düzenine, topraklama stratejisine ve fiziksel ayrıştırmaya odaklanır. Daha fazla ayrıntı bir sonraki bölümde verilmektedir.
Laboratuvar alanınızın çevresel koşullarını değerlendirmek de ortam sıcaklığının veya neminin EMI yayılımına katkıda bulunup bulunmadığına dair fikir verebilir.
Daha fazla aktif EMI azaltma tekniği, bu makalenin 4. bölümünde bir örnekle açıklanan toprakların izole edilmesini içerebilir.
Pasif teknikler drone testlerindeki bağlantı kopmalarını çözmek için genellikle yeterlidir ve aktif azaltma yöntemlerine geçmeden önce tamamen uygulanmalıdır.
3. Pasif EMI Azaltma Teknikleri
Kablolama düzenlemeleri
EMI'yi azaltmanın en etkili yollarından biri, yüksek güçlü kabloları veri ve sinyal kablolarından ayırmaktır. Aynı türdeki kablolar bir araya getirilmelidir. Veri kabloları birbirine sarılmalı veya bükülmeli, yüksek güçlü kablolar da aynı şekilde sarılmalı veya bükülmelidir.
Bu, döngü alanını azaltır ve yayılmış gürültüyü sınırlar. Ayrıca gürültü alımını en aza indirmek için FMU'dan ESC'ye giden PWM hatlarını mümkün olduğunca kısaltmak önerilir.
Toprak döngüleri ve topraklama
Toprak döngüleri, itki testlerinde EMI'nin yaygın bir kaynağıdır.
Toprak döngüsü, ortak bir toprak dahil birden fazla iletken dönüş yolunu paylaşan birbirine bağlı cihazlar farklı voltaj potansiyellerine sahip olduğunda meydana gelir. Bu fark sadece bir voltun küçük bir kısmı olabilir, ancak bu durum sisteme girişim sokmak için yeterlidir.
Bu döngüler gürültü akımlarının dolaşmasına ve hassas elektroniklere sızmasına izin verir. Kablolar döngü yolları açısından incelenmeli ve mümkün olduğunca düzgün S şeklindeki yollara yeniden yönlendirilmelidir.
Flight Stand düzeninde toprak döngülerinden kaçınmak için Sync Hub ve batarya toprağı, mümkün olan en düşük empedanslı yol kullanılarak, genellikle en kısa ve uygun en düşük ölçüdeki kabloyla birbirine bağlanmalıdır.
Zincirleme bağlantılardan her ne pahasına olursa olsun kaçınılmalıdır. Toprak potansiyelini azaltmak için yıldız düzeni önerilir.
Şekil 6: Uygun yıldız düzeni kablolaması (sol) ve uygunsuz zincirleme bağlantı (sağ)
Tüm iletken bileşenlerin düzgün topraklanması kritiktir. Test standının kendisi, mümkün olan en kısa ve en düşük empedanslı bağlantı kullanılarak batarya ve sync hub ile aynı referansa topraklanmalıdır.
Tüm ana bileşenlerin ortak bir toprak referansını paylaştığından emin olmak, potansiyel farklarını azaltır ve istenmeyen akımların sinyal yollarından geçmesini önler.
Şekil 7: Akımın toprağa akması için doğrudan yol sağlayan toprak kabloları (kaynak: Electrotechnik)
Mekanik EMI kaynakları ve izolasyon
EMI ayrıca ateşleme başlatıcıları, röleler veya soğutma pompaları gibi mekanik veya elektromekanik kaynaklardan kaynaklanabilir. Bu cihazlar kıvılcım, kesintili temas veya hızlı akım değişiklikleri nedeniyle önemli EMI ve ESD üretebilir ve itki testi düzenlerinde genellikle gözden kaçar.
Ateşleme sistemleri veya soğutma pompaları gibi yüksek EMI'li cihazları, hassas elektroniklerden farklı bir konnektör veya sigortadan beslemek önerilir. Temel gereksinim, bu cihazların Flight Stand, ESC veya ölçüm elektroniği ile toprak yollarını paylaşmamasıdır; bu durum gürültü ve deşarj akımlarının sisteme sızmasını önlemeye yardımcı olur.
Fiziksel ayrıştırma da etkili bir azaltma tekniğidir. Yüksek EMI'li cihazlar Flight Stand'den mümkün olduğunca uzağa yerleştirilmeli, pompalar gibi bileşenler için yaklaşık 2 metrelik minimum mesafe önerilir.
Son olarak, bilinen yüksek EMI'li cihazlara güçlü ve özel bir toprak bağlantısı sağlanmalıdır. Bu, ESD ve gürültü akımları için tercih edilen bir deşarj yolu oluşturarak, hassas elektroniklerden geçmek yerine doğrudan toprağa akmalarını sağlar.
Ferrit boncuklar ve EMI filtreleri
Ferrit boncuklar, veri ve sinyal hatlarındaki yüksek frekanslı gürültüyü bastırmak için kullanılabilir. Bu kablolara bir ferrit boncuk takmak, normal sinyal çalışmasını etkilemeden EMI'yi zayıflatabilir.
Şekil 8: USB kablosunda ferrit boncuk
EMI filtreleri, normal güç veya sinyal çalışmasına izin verirken girişimleri zayıflatarak istenmeyen yüksek frekanslı gürültüyü azaltır. Gürültünün sisteme girmesini veya sistemden çıkmasını önlemek için genellikle güç girişlerine veya sinyal arayüzlerine takılır.
Hem ferrit boncuklar hem de EMI filtreleri, en etkili oldukları bir frekans aralığına sahiptir. Sisteminizdeki sorunlu frekansları belirlemek için bir spektrum analizörü kullanılabilir, ardından uygun bir boncuk veya filtre seçilebilir. Örneğin, USB kablolarında yaygın olarak kullanılan ferrit boncuklar genellikle yüz megahertz ile yüzlerce megahertz aralığında, çoğu zaman 100 MHz civarında en etkilidir.
Bu teknikler, yalnızca kablolama düzeni değişikliklerinin sorunu tam olarak çözmediği durumlarda özellikle yararlıdır ve genel sistem tasarımını değiştirmeden hızlıca uygulanabilir.
Bağlantılar
EMI kaynaklı bağlantı kopmaları devam ederse, gürültü giriş noktası olarak işlev görebilecek olmayan hayati olmayan ölçüm bağlantılarını geçici olarak ayırmak yardımcı olabilir.
Örneğin, Flight Stand EMU'daki yüksek voltaj algılama portunu ayırmak, bu bağlantının soruna katkıda bulunup bulunmadığını belirlemeye yardımcı olabilir.
Hassas elektroniklere giren elektriksel yolların sayısını azaltmak genellikle test sırasında sistem dayanıklılığını artırır.
4. Aktif EMI Azaltma Teknikleri
Pasif EMI azaltma teknikleri sorunu çözmezse, aktif azaltma yöntemleri kullanılabilir. Bu teknikler etkileşimi yalnızca azaltmak yerine gürültü yayılım yollarını doğrudan keser.
Toprakların izole edilmesi
Etkili aktif yaklaşımlardan biri, ESC ve FMU arasındaki toprakları izole etmektir. Doğrudan toprak bağlantısını keserek, yüksek güçlü elektronikler tarafından üretilen gürültünün hassas analog ve dijital devrelere yayılması önlenir.
Toprak izolasyonu, dikkatli kablolama ve topraklama uygulamalarına rağmen ADC bağlantı kopmaları veya iletişim hataları devam ettiğinde özellikle yararlıdır.
Analog ve dijital izolatörler toprak izolasyonunda rol oynayabilir - analog izolatörler güç kaynakları ve güç iletim ağları, dijital izolatörler ise ESC'ler ve diğer sinyal iletim ekipmanları için kullanılır.
Örnek: optokuplör
Optokuplör veya optoizolatör, sinyal bütünlüğünü korurken toprak izolasyonunu uygulamak için kullanılabilecek bir dijital izolatör örneğidir. Bu yapılandırmada, kontrol sinyalleri elektriksel olarak değil, optik olarak iletilir ve gürültünün güç ile kontrol alanları arasında geçmesi önlenir.
Şekil 9: SparkFun optoizolatörü
Optoizolatörler, Flight Stand test standının ESC'si ile Kuvvet Ölçüm Ünitesi (FMU) arasındaki PWM veya kontrol hatlarını izole etmek için başarıyla kullanılmış ve zorlu test ortamlarında EMI kaynaklı bağlantı kopmalarını önemli ölçüde azaltmıştır.
Aşağıda SparkFun optoizolatörü için bir örnek olarak kablolama şeması verilmiştir:
Şekil 10: SparkFun optoizolatör kablolama şeması
Sonuç
Elektromanyetik girişim, yüksek güçlü motorların, ESC'lerin ve anahtarlama elektroniğinin hassas ölçüm ve kontrol sistemleriyle birlikte çalıştığı drone itki testlerinde kaçınılmaz bir husustur. EMI sorunları genellikle tekrarlanabilir arızalar yerine kesintili bağlantı kopmaları olarak görünür ve bu da EMI ölçümü, dikkatli kablolama düzeni ve uygun topraklamayı içeren sistematik bir yaklaşım olmadan teşhis edilmelerini zorlaştırır.
İtki testlerindeki çoğu EMI sorunu, güç ve veri kablolarını ayırmak, toprak döngülerini ortadan kaldırmak, topraklama yollarını iyileştirmek ve kritik arayüzlerde ferrit boncuklar veya EMI filtreleri uygulamak gibi pasif EMI azaltma teknikleriyle azaltılabilir.
Pasif yöntemler yetersiz kaldığında, optoizolatörlerle toprak izolasyonu gibi aktif EMI azaltma teknikleri hassas elektronikleri daha fazla koruyabilir, test güvenilirliğini artırabilir ve tutarlı, tekrarlanabilir drone testi sonuçları sağlayabilir.