In de jaren 20 van de vorige eeuw ontstond een conflict tussen de gevestigde elektrische aandrijftechniek in het stedelijk verkeer, en de opkomende telecommunicatiesector. Dit leidde tot de ontwikkeling van methoden om radiostoringen (interferentie) te onderdrukken – een tak van EMC. Tegenwoordig worden elektrische aandrijvingen meestal aangestuurd. Er vindt dus een energieomzetting plaats, maar daarnaast bevatten ze ook componenten voor de communicatie met sensoren en gegevensoverdracht. Tijdens de energieomzetting ontstaat interferentie, en daarom is het belangrijk dat deze sensoren en componenten voor telecommunicatie hier voldoende tegen beschermd zijn – en dat vaak in hele krappe inbouwruimtes.
Certificering in de toepassing
De grenswaarden voor aangestuurde elektrische aandrijvingen voor zowel vrijkomende interferentie als voor storingsbestendigheid zijn tegenwoordig vastgelegd in de norm EN-61800-3.Deze norm vormt echter slechts een basis om een gebruiksklare aandrijving te beoordelen. Het kan niet betrouwbaar worden voorspeld hoe deze zich exact gedraagt in het complete ontwerp. Hiervoor moet de gebruiker een certificering behalen die geldt voor het volledige apparaat. In systemen met elektrische miniatuuraandrijvingen wordt de elektrische energie vaak meerdere keren omgezet.
Dit veroorzaakt wisselende elektrische spanningen en stromen met sterk uiteenlopende frequenties. Denk aan de schakelfuncties voor de output, de (elektro)magnetische velden bij dynamische werking, of spanningsschommelingen (ripple) als de aandrijvingen schakelen.
De EMC-richtlijn 2014/30/EU is van toepassing op apparaten in de Europese markt, en de concrete beoordeling wordt uitgevoerd op basis van de zogeheten geharmoniseerde normen. Voor een CE-kenmerk moet alle apparatuur verplicht voldoen aan de EMC-richtlijn. Maar apparaten die niet op de Europese markt worden verkocht, of die bedoeld zijn voor industriële hergebruikers, vereisen vaak ook een bewijs van compliance. Hier worden de algemene normen EN 61000-4-x en EN 61000-6-x toegepast; afhankelijk van de beoogde sector (industrieel gebruik of consumentenmarkt).
Grenswaarden voor aangestuurde apparatuur
EN 61800-3 vormt de basis voor de beoordeling van een gebruiksklare aandrijving, bestaande uit een motor en omvormer of motion controller met een directe voeding. De norm bepaalt ook aan welke regels de meetopstelling moet voldoen. De verschillende storingssoorten worden op verschillende manieren gekwantificeerd. In het frequentiebereik van 150 kHz tot 30 MHz worden ze bepaald als interferentiespanning in dB(µV), in het frequentiebereik van 30 MHz tot 300 MHz als interferentievermogen in dB(pW) en in het bereik van 30 MHz tot 6 GHz als interferentieveldsterkte dB(µV/m).
Deze benadering gaat ervan uit dat schommelende grootheden op lage frequenties vooral optreden als interferentiespanning op de voedingsspanning. De pulsstromen van een aangestuurde aandrijving kunnen dan bijvoorbeeld de werking van een parallel aangesloten PLC beïnvloeden. Ook kan een spanningspiek in de voedingsspanning tijdens het remmen ervoor zorgen dat parallel geschakelde apparaten zichzelf ter bescherming afsluiten. Aan de andere kant beschrijven het interferentievermogen en de interferentieveldsterkte de propagatie van elektromagnetische velden die niet langs kabels verloopt.
Interferentieveldsterkte als uitdaging
Voor de certificering van een apparaat met een geïntegreerde miniatuuraandrijving is de interferentieveldsterkte vaak de grootste uitdaging. Mogelijke maatregelen zijn filters op de uitgangen om de capacitieve stoorstromen met hoge frequentie te onderdrukken. Meestal moet ook iedere voedingslijn naar de motor volledig worden afgeschermd. Dit geldt ook voor de sensorkabel, die los van deze voedingslijn wordt gelegd. Verder is het belangrijk dat alle geleidende onderdelen worden aangesloten op een zogeheten functionele aarde met afschermende RF-connectoren. Op basis van deze functionele aarding kunnen beide uiteinden van de afscherming vervolgens vlak worden aangesloten. Een beschermende PE-aarde is alleen bij uitzondering voldoende.
De interferentieveldsterkte wordt effectief opgevangen door de functionele aarde en de afgeschermde kabels, maar als gevolg daarvan neemt de terugkerende wisselstroomcomponent in de basisplaat vaak toe. Als deze wisselstromen terugvloeien naar de schakelende omvormer via de netvoeding of de PSU, neemt de wisselspanningscomponent op de voedingsgeleider onvermijdelijk toe – en daarmee ook de stoorspanning. Daarom is vaak een extra filter nodig in de voedingsleiding, dat de verspreiding van deze stromen beperkt. De fabrikant van de apparatuur kan beslissen of hij een dergelijk filter voor elke aandrijving installeert – bij miniatuuraandrijvingen meestal in de 24V- of 48V-voedingsleiding – of alleen voor de voedingseenheid aan de wisselstroomzijde. Die laatste optie is goedkoper, maar het werkt alleen als de aandrijvingen zelf zo zijn ontworpen dat ze elkaar niet storen.
Interferentieweerstand in de standaard test
De standaardtests voor storingsbestendigheid dekken een breed scala van elektromagnetische effecten af, zoals storingsbestendigheid tegen elektrostatische ontlading (ESD) en tegen hoogfrequente elektromagnetische velden van een naburige emitter, storingsbestendigheid tegen snelle elektrische transiënten (bursts), tegen schommelingen (bijvoorbeeld door blikseminslag), of tegen RF common-mode interferentie op langere sensor- en communicatielijnen. Extra tests voor kortere spanningsvallen zijn voornamelijk voorgeschreven voor aandrijvingen die direct op netvoeding werken. De spanningsschommelingen die typisch zijn als meerdere dynamische aandrijvingen op een DC-systeem werken, worden daarentegen niet gedetecteerd. Voor miniatuuraandrijvingen kunnen extra maatregelen vereist zijn om storingen te onderdrukken, onder andere door de kortst mogelijke kabels te gebruiken of beschermende diodes aan de voedingszijde in te zetten. Ook ferrietfilters zijn een optie, die bijvoorbeeld ook worden gebruikt op analoge beeldschermkabels of communicatiekabels.
Bij compacte aandrijvingen vormen encoders de grootste uitdaging voor de interferentieweerstand van de componenten. Ook deze moeten in krappe ruimtes worden geïnstalleerd. Maar ook in kleine encoders kan afdoende beveiliging tegen statische ontladingen worden bereikt met compacte afschermingen. De veldsterktes die zijn opgegeven voor de interferentieweerstand vormen normaal gesproken geen probleem in het RF-frequentiebereik of in het netfrequentiebereik. Effectieve interferentieweerstand tegen bursts of snelle transiënten vereist filters op de voedingsaansluitingen en op de signaalkabels. Dit veroorzaakt echter een probleem bij de voedingsaansluitingen, omdat de voeding normaal gesproken direct wordt aangesloten op de IC's in de encoder. Effectieve afscherming is hier alleen mogelijk in het apparaat als geheel. Bij standaardinterferentie is het over het algemeen niet nodig om volledige afscherming direct in de encoder aan te brengen. Indien nodig kan echter een beschermende diode worden geïnstalleerd, bijvoorbeeld in een adapterboard.
Het signaal dat wordt gebruikt bij de test voor RF-interferentie conform IEC 61000-4-6 is sterker dan het nuttige signaal van een typische encoder. Het is echter niet haalbaar om een common-mode filter te plaatsen in een encoder voor motoren met een diameter van slechts 20 tot 22 mm. Hier moet op apparaatniveau worden beoordeeld wat voor interferentie kan worden verwacht. Indien nodig kan de interferentieweerstand worden verbeterd met extern aangebrachte ferrieten. Spanningsvallen in de voedingsspanning van het aandrijfsysteem kunnen systeemuitval veroorzaken. Afhankelijk van de buffer van de encodervoeding in de motion controller, kan de encoder hierbij ook te weinig voedingsspanning ontvangen. Incrementele encoders verliezen in dit geval de absolute positiegegevens en moeten opnieuw worden gereferentieerd.
EMC-compliant ontwerp en documentatie
Voor gebruikers is EMC bij miniatuuraandrijvingen dus geen bijzaak. De aandrijfexperts van FAULHABER hebben zich dan ook verdiept in dit complexe onderwerp. Alle motion controllers binnen het huidige productaanbod voldoen aan de huidige EMC-voorschriften. De hardware is passend geoptimaliseerd, maar ook de documentatie is opnieuw ontworpen om gebruikers optimaal te ondersteunen bij de certificering van hun eigen apparaten.
Uit de inhoud van het boek
- De uitdaging van EMC:
Bronnen van interferentie in elektrische aandrijvingen, frequentiecomponenten, onderdrukking van radio-interferentie voor EMC - CE-certificering:
EU-richtlijnen voor de werking van elektrische miniatuuraandrijvingen en de relevante normen - Door apparaten veroorzaakte interferentie:
Storingen door kabels, koppelingsroutes voor elektromagnetische storingen, meetmethoden en typische meetresultaten - Interferentiesignalen in geregelde aandrijvingen:
Storingskarakteristieken van een DC-DC convertor en een motorcontroller - Beperking van veroorzaakte interferentie:
Verspreidingsroutes, aarding en afscherming, kabelroutes, filters en meetresultaten - Interferentiebestendigheid van apparatuur:
Acceptatiecriteria, effecten, metingen - EMC-maatregelen voor miniatuuraandrijvingen:
Geïntegreerde motorcontrollers, extern gemonteerde motorcontrollers en encoders - Maatregelen voor extra robuustheid:
Codering, complementaire signalen (line drivers), robuustheid van verschillende interfaces