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TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音

發(fā)布時間:2023-05-30 來源:TI 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】無刷直流電機(jī)(BLDC) 取代了交流感應(yīng)電機(jī),在風(fēng)扇、空氣凈化器、洗衣機(jī)和烘干機(jī)泵以及醫(yī)用 CPAP 鼓風(fēng)機(jī)等通用電器的應(yīng)用中變得越來越普遍。


無刷直流電機(jī)(BLDC) 取代了交流感應(yīng)電機(jī),在風(fēng)扇、空氣凈化器、洗衣機(jī)和烘干機(jī)泵以及醫(yī)用 CPAP 鼓風(fēng)機(jī)等通用電器的應(yīng)用中變得越來越普遍。

然而,BLDC 電機(jī)的調(diào)制會產(chǎn)生噪音,這會導(dǎo)致環(huán)境背景噪音,尤其是在開放式概念平面規(guī)劃在辦公室和家庭環(huán)境中非常流行的情況下。

為了幫助解決這些與噪聲相關(guān)的問題,德州儀器 (TI)今天宣布推出 兩款全新 70 W 無傳感器 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器,即MCT8316A和MCF8316A。這些驅(qū)動程序聲稱是高度集成的無代碼芯片組,分別使用梯形控制和磁場定向控制(FOC)。 


TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音
電器常見噪音水平的幾個例子。屏幕截圖由 Texas Instruments 提供


這些新芯片的總體目標(biāo)有三個:減少來自日常應(yīng)用的可聞噪聲源,將解決方案板尺寸縮小多達(dá) 70%,,縮短 BLDC 調(diào)諧的總體設(shè)計(jì)時間(可能縮短至 10 分鐘).

考慮到這些目標(biāo),讓我們來看看 TI 的產(chǎn)品。
 
MCx8316A 芯片概述

MCT8316A 和 MCF8316A 以通用電氣參數(shù)運(yùn)行,包括 4.5 V 至 35 V 的工作范圍和高達(dá) 8A 的峰值輸出。此外,這些芯片專為需要 12 V 至 24 V BLDC 或永磁同步電機(jī)的速度控制電機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。  


TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音

MCx8316A 芯片概述。屏幕截圖由 Texas Instruments 提供


MCx8316A 驅(qū)動器系列的一項(xiàng)決定性功能是降低噪音。具體而言,MCT8316A 支持 120° 和 150° 調(diào)制,可通過梯形控制方案改善聲學(xué)性能。

同時,采用FOC方案的MCF8316A利用自動死區(qū)時間補(bǔ)償來減少饋送到電機(jī)的諧波含量,從而降低可聽范圍內(nèi)的噪聲。 
一個家族,兩種芯片,兩種控制方案,不禁要問,梯形控制和磁場定向控制有什么區(qū)別?
 
BLDC 電機(jī)中的梯形控制與 FOC

有兩種一般類型的 BLDC 電機(jī),包括霍爾效應(yīng)傳感器驅(qū)動架構(gòu)和無傳感器架構(gòu)。盡管更復(fù)雜,但無傳感器架構(gòu)是更受歡迎的選擇。對于無傳感器操作,出現(xiàn)了兩種控制方案。


TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音
梯形控制方案的時序圖。截圖由Texas Instruments提供


梯形控制的工作原理是在任何給定時間斷言兩個相位。因此,如上所示,在任何相位的過零期間都不會產(chǎn)生扭矩。 
該方案的效果是在每 60° 過零相位處產(chǎn)生紋波,從而產(chǎn)生諧波。在 120° 模式下,BLDC 驅(qū)動器將在每個周期的剩余 60°中使用高阻態(tài)。

相反,磁場定向控制方案在反饋控制的轉(zhuǎn)換中需要明顯更多的復(fù)雜性。

三相逆變器的輸出產(chǎn)生一個正弦信號,該信號被采樣并通過Clarke 變換然后通過Park 變換進(jìn)行饋送。


TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音
磁場定向控制的基本框圖。截圖由Texas Instruments提供


這兩個變換的結(jié)果通過將定子電流矢量從三相時變系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為雙坐標(biāo)時不變系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制。
 
MCx8316A 芯片如何降低噪音

用于控制 BLDC 電機(jī)的兩種控制方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。每種方法都會產(chǎn)生有助于聲學(xué)噪聲的諧波偽影。


TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音

兩種無傳感器 BLDC 控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)。屏幕截圖由 Texas Instruments 提供


據(jù)說調(diào)制和死區(qū)時間補(bǔ)償對于減少電機(jī)運(yùn)動中存在的可聽噪聲至關(guān)重要。準(zhǔn)確地說,MCF8316A使用諧振控制器補(bǔ)償高側(cè)和低側(cè)開關(guān) MOSFET 之間的 死區(qū)時間,以將諧波含量降至零。


TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的噪音
在 MCF8316A 內(nèi)部啟用死區(qū)時間補(bǔ)償可消除可聽諧波(左),從而產(chǎn)生更純凈的正弦信號(右)。截圖由Texas Instruments提供


對正弦輸出和隨后的快速傅立葉變換 (FFT) 的影響如上所示。

類似地,梯形控制方案(如 MCT8316A)的 FFT 響應(yīng)通過利用芯片的可變換向方案在 120° 和 150° 之間動態(tài)切換而得到改善,方法是“窗口化”電機(jī)相位處于 Hi-Z 模式的時間量. 

總而言之,這種降噪解決方案似乎對許多應(yīng)用很有前景,尤其是對消費(fèi)產(chǎn)品而言。 


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