Автори — Мікеле Лоруссо та Суде Тавусі
Електромагнітні завади (EMI) — поширена й часто складна проблема випробування рушійних систем дронів. Вони можуть переривати тести, особливо в потужних установках, де одночасно працюють двигуни, ESC і вимірювальна електроніка.
На практиці єдине джерело завад знайти непросто. Наш досвід показує, що проблему часто усувають ретельним компонуванням, прокладанням проводів і заземленням. Якщо пасивних заходів недостатньо, активна ізоляція додатково захищає чутливу електроніку.
У статті розглянуто поширені джерела EMI та практичні способи їх зменшення.
Рисунок 1. Випробування рушійної системи на Flight Stand 15
Зміст
- Джерела EMI під час випробувань
- Компоненти рушійної системи
- Випробувальне обладнання
- Випробувальне середовище
- Як зменшити EMI
- Як вимірювати EMI
- Послідовність зменшення завад
- Пасивні методи:
- Прокладання проводів
- Контури заземлення й заземлення
- Механічні джерела й ізоляція
- Феритові елементи й EMI-фільтри
- З’єднання
- Активні методи:
- Розв’язка загальних проводів
- Приклад: оптопара
1. Джерела EMI під час випробувань дронів
EMI часто проявляються періодичними втратами зв’язку, а не постійною відмовою, що ускладнює пошук причини.
Джерела можуть бути механічними й електричними: іскріння або нестабільний контакт у стартерах запалювання та реле, швидке перемикання електроніки, перетворювачі живлення й цифрові сигнали. Розуміння природи джерела визначає напрямок протидії.
Нижче наведено поширені джерела.
Компоненти рушійної системи
Головні джерела — компоненти з великою потужністю або швидким перемиканням. Двигуни й ESC створюють імпульси струму та ШІМ-завади. Високовольтні лінії акумулятора випромінюють шум, а довгі кабелі можуть діяти як антени.
Рисунок 2. Рушійна система на Flight Stand 50
Купуючи новий компонент, уважно прочитайте посібник і рекомендації щодо EMI. Деякі ESC й насоси охолодження додають суттєві завади. Виробники часто наводять додаткові заходи в посібниках і даташитах.
Випробувальне обладнання
Вимірювальні блоки й зовнішні джерела живлення ускладнюють систему: додають проводи, шляхи заземлення й можливості проникнення шуму в чутливу електроніку.
Нижче наведено правильне компонування зі стендом Flight Stand, двигуном, ESC, акумулятором, блоком електричних вимірювань (EMU) та Sync Hub.
Рисунок 3. Правильно налаштована випробувальна система
Крім такого підключення, рекомендуємо за можливості з’єднувати пристрої безпосередньо з комп’ютером, уникаючи USB-концентраторів.
Випробувальне середовище
Умови середовища можуть непомітно, але суттєво змінювати прояви EMI.
Температура впливає на перемикання напівпровідників: гарячі пристрої зазвичай перемикаються трохи повільніше, холодні створюють різкіші фронти й більше високочастотного випромінювання. Частота генераторів також може дрейфувати.
Вологість переважно впливає на поверхневу провідність і зв’язок, а не безпосередньо на випромінювання. Низька вологість сприяє накопиченню статичного заряду й ESD, висока — витокам на кабелях і платах та невеликому загасанню полів.
Разом температура й вологість змінюють діелектричні властивості повітря, трохи впливаючи на поширення хвиль та антенний зв’язок.
Зазвичай ефекти невеликі, часто менш як 1–3 дБ, але можуть спричиняти мінливість і періодичні відключення замість відтворюваних відмов.
2. Як зменшити EMI
Як вимірювати EMI
Зазвичай використовують вимірювання ближнього поля й частотний аналіз для пошуку джерел випромінювання та шляхів проникнення.
Для початкової оцінки рекомендуються осцилограф для перевірки контурів заземлення й аналізатор спектра для докладного частотного аналізу.
Рисунок 4. Осцилограф ліворуч і аналізатор спектра праворуч
Для розширеного аналізу Tyto також використовувала магнітний зонд ближнього поля, малошумний підсилювач, фіксований атенюатор для захисту входу й лінійності та осцилограф із диференціальним пробником для зіставлення спектра з перемиканнями силових і сигнальних ліній. Для базової діагностики це додаткове обладнання не потрібне.
Рисунок 5. Високовольтний диференціальний пробник: корисний у деяких випадках, але необов’язковий для базової діагностики
Для визначення шумового фону вимкніть обладнання й проскануйте ближнє поле за сталої геометрії: однакова відстань магнітного зонда до корпусу, незмінний імпеданс, смуга та конфігурація підсилювача. Отриманий рівень використовуйте як локальний фон.
Проскануйте зондом двигуни, ESC, кабелі й корпуси в широкому діапазоні частот. Порівняйте з фоном: складові приблизно на 20 дБ вище нього потребують додаткового дослідження й зменшення.
Послідовність зменшення EMI
Починайте з пасивних методів: прокладання проводів, стратегії заземлення й фізичного рознесення без додаткової електроніки. Докладніше — далі.
Оцініть також температуру й вологість лабораторії, які можуть впливати на поширення завад.
Активні заходи можуть передбачати розв’язку загальних проводів, приклад наведено в розділі 4.
Пасивних заходів часто достатньо; їх потрібно повністю реалізувати до переходу до активних.
3. Пасивні методи зменшення EMI
Прокладання проводів
Один із найефективніших способів — відокремити силові проводи від сигнальних і кабелів даних. Проводам одного типу варто йти разом: сигнальні скручуйте між собою, силові — окремо між собою.
Це зменшує площу контурів і випромінювання. Лінії ШІМ від FMU до ESC робіть якомога коротшими для меншого наведення.
Контури заземлення й заземлення
Контури заземлення — поширене джерело завад.
Контур виникає, коли з’єднані пристрої мають кілька провідних зворотних шляхів, зокрема спільну землю, але різні потенціали. Навіть частки вольта достатньо для завад.
У контурах циркулюють шумові струми, що проникають у чутливу електроніку. Перевірте проводи й за можливості замініть петлі плавними S-подібними трасами.
У Flight Stand з’єднайте загальний провід Sync Hub й акумулятора шляхом із мінімальним імпедансом: зазвичай найкоротшим проводом відповідного великого перерізу.
Уникайте послідовного ланцюгового заземлення. Для зменшення різниці потенціалів рекомендована «зірка».
Рисунок 6. Правильна «зірка» ліворуч і неправильне ланцюгове з’єднання праворуч
Критично важливо заземлити всі провідні компоненти. Стенд має використовувати той самий опорний потенціал, що акумулятор і Sync Hub, через найкоротше низькоімпедансне з’єднання.
Спільний опорний потенціал основних компонентів зменшує різницю напруг і небажані струми в сигнальних шляхах.
Рисунок 7. Кабелі заземлення створюють прямий шлях струму до землі (джерело: Electrotechnik)
Механічні джерела EMI та ізоляція
Стартери запалювання, реле й насоси охолодження також створюють EMI та ESD через іскріння, нестабільні контакти або швидкі зміни струму. Їх часто не враховують.
Пристрої з високими завадами живіть від окремого роз’єму або автомата, ніж чутливу електроніку. Важливо, щоб вони не мали спільних шляхів загального проводу з Flight Stand, ESC і вимірювальною електронікою, запобігаючи проникненню шумових і розрядних струмів.
Фізичне рознесення також ефективне. Розміщуйте такі пристрої якомога далі від Flight Stand; для насосів рекомендована мінімальна відстань приблизно 2 м.
Для відомих джерел сильних EMI забезпечте надійне окреме захисне заземлення, щоб ESD і шумові струми йшли безпосередньо до землі, а не через електроніку.
Феритові елементи й EMI-фільтри
Феритові елементи пригнічують високочастотний шум у сигнальних кабелях і лініях даних без порушення нормальної роботи сигналу.
Рисунок 8. Феритовий елемент на USB-кабелі
EMI-фільтри послаблюють небажані високочастотні завади, пропускаючи нормальне живлення або сигнал. Їх установлюють на входах живлення чи сигнальних інтерфейсах для обмеження проникнення й виходу шуму.
Кожен ферит і фільтр має діапазон найбільшої ефективності. Аналізатор спектра допоможе знайти проблемні частоти й підібрати компонент. Наприклад, USB-ферити часто працюють найкраще на десятках і сотнях МГц, близько 100 МГц.
Це корисно, коли зміни прокладання не повністю усунули проблему. Методи швидко впроваджуються без перероблення всієї системи.
З’єднання
Якщо відключення тривають, тимчасово від’єднайте необов’язкові вимірювальні з’єднання, які можуть бути точками входу шуму.
Наприклад, від’єднання високовольтного вимірювального входу EMU допоможе перевірити його внесок.
Менше електричних шляхів до чутливої електроніки часто підвищує стійкість системи.
4. Активні методи зменшення EMI
Якщо пасивні методи не допомогли, активні безпосередньо розривають шляхи поширення шуму замість простого послаблення зв’язку.
Розв’язка загальних проводів
Ефективний підхід — ізолювати загальні проводи ESC і FMU. Розрив прямого з’єднання запобігає проникненню шуму силової електроніки в чутливі аналогові й цифрові кола.
Це особливо корисно, коли відключення ADC або помилки зв’язку залишаються попри правильні проводи й заземлення.
Використовують аналогові ізолятори для джерел і розподілу живлення та цифрові — для ESC і сигнального обладнання.
Приклад: оптопара
Оптопара, або оптоізолятор, — цифровий ізолятор для розв’язки зі збереженням сигналу. Керування передається світлом, а не електричним з’єднанням, тому шум не переходить між силовою та керувальною частинами.
Рисунок 9. Оптоізолятор SparkFun
Оптоізолятори успішно розв’язували лінії ШІМ між ESC і FMU Flight Stand, суттєво зменшуючи відключення в складних умовах.
Нижче наведено приклад схеми підключення оптоізолятора SparkFun.
Рисунок 10. Схема підключення оптоізолятора SparkFun
Висновок
EMI неминуче потрібно враховувати, коли потужні двигуни, ESC і перемикальна електроніка працюють поряд із чутливими вимірювальними системами. Періодичні відключення ускладнюють діагностику, тому потрібні вимірювання завад, продумане прокладання та належне заземлення.
Більшість проблем зменшують пасивно: рознесенням силових і сигнальних проводів, усуненням контурів, поліпшенням шляхів заземлення та феритами або фільтрами на важливих інтерфейсах.
Якщо цього недостатньо, розв’язка оптоізоляторами додатково захищає електроніку, підвищуючи надійність і відтворюваність випробувань.