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降低運(yùn)動控制應(yīng)用中可聞噪聲的三種出色方式

發(fā)布時間:2023-05-10 來源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著家庭和辦公室開放式布局設(shè)計(jì)的出現(xiàn)以及日漸轉(zhuǎn)向混合動力電動汽車和電動汽車,愈發(fā)需要更安靜、高效的電機(jī)控制。即使是非常小的聲學(xué)差異,也會對可聞噪聲造成顯著影響。


在圖 1 中,您可以看到生活空間中的電器如何影響整體噪聲水平。利用具有更高功率密度、更高集成度和更高效系統(tǒng)的電機(jī)控制電路等先進(jìn)的實(shí)時控制技術(shù),可幫助您實(shí)現(xiàn)更出色的系統(tǒng)聲學(xué)性能。一些其他策略包括使用連續(xù)脈寬調(diào)制 (PWM) 的矢量磁場定向控制 (FOC) 算法,減少振動的特定控制算法,以及應(yīng)用死區(qū)時間補(bǔ)償和 PWM 生成來降低可聞噪聲的集成控制。


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圖 1:開放式廚房和客廳的可聞噪聲


由于這些不同的產(chǎn)品和策略都可以降低運(yùn)動控制應(yīng)用中的可聞噪聲,因此可能很難確定哪種策略更適合您的應(yīng)用。在本文中,我將以 BLDC 集成控制柵極驅(qū)動器為例,列出降低運(yùn)動控制應(yīng)用中可聞噪聲的三種出色方式。想要了解更多關(guān)于運(yùn)動控制的內(nèi)容,可閱讀我們運(yùn)動控制系列技術(shù)文章第一篇“如何在工業(yè)驅(qū)動器中實(shí)現(xiàn)精密的運(yùn)動控制”。


PWM


用于降低電機(jī)控制應(yīng)用中可聞噪聲的第一種策略是連續(xù) PWM。PWM 是一種技術(shù),通過導(dǎo)通和關(guān)斷晶體管來產(chǎn)生輸出波形,從而讓電機(jī)電壓在給定時間處于高電壓或低電壓狀態(tài)。然后,電機(jī)中的電感對這些波形進(jìn)行濾波,以便基本上平均輸出波形。調(diào)整占空比(波形導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之比)將改變平均電壓。圖 2 展示了使用 PWM 生成正弦波的一個示例。


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圖 2:使用 PWM 生成正弦波的示例


例如,德州儀器 (TI) MCF8315A BLDC 集成控制柵極驅(qū)動器是一款無傳感器 FOC 電機(jī)驅(qū)動器,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和非連續(xù)空間矢量 PWM 方案。連續(xù)調(diào)制有助于減小低電感電機(jī)的電流紋波,但由于所有三個相位互相交錯,因此會導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗。非連續(xù)調(diào)制的開關(guān)損耗更低(因?yàn)橐淮沃挥袃蓚€相位互相交錯),但電流波紋更高。在圖 3 和圖 4 中,您可以看到連續(xù)和非連續(xù) PWM 的差異。


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圖 3:相電流波形與快速傅里葉變換 (FFT) 非連續(xù) PWM 之間的關(guān)系


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圖 4:相電流波形與 FFT 連續(xù) PWM 之間的關(guān)系


死區(qū)時間補(bǔ)償


用于降低電機(jī)控制應(yīng)用中可聞噪聲的第二種策略是死區(qū)時間補(bǔ)償。在電機(jī)控制應(yīng)用中,在半橋中高側(cè)和低側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的開關(guān)之間插入死區(qū)時間可避免發(fā)生擊穿。插入死區(qū)時間后,相節(jié)點(diǎn)上的預(yù)期電壓與施加的電壓會有所不同,相節(jié)點(diǎn)電壓會在相電流中引入不必要的失真,進(jìn)而導(dǎo)致可聞噪聲。


要管理這種額外的噪聲,工程師可以利用諧振控制器集成死區(qū)時間補(bǔ)償,以便控制相電流中的諧波分量,從而緩解因死區(qū)時間導(dǎo)致的電流失真,如圖 5 所示。


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圖 5:無傳感器 FOC 死區(qū)時間補(bǔ)償分析


例如,TI 的 MCF8316A BLDC 集成控制柵極驅(qū)動器(一款無傳感器 FOC 電機(jī)驅(qū)動器)采用此內(nèi)置功能來優(yōu)化多種電機(jī)頻率下的聲學(xué)性能,如圖 6 所示。


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圖 6:實(shí)施 PWM 調(diào)制和死區(qū)時間補(bǔ)償來優(yōu)化 MCF8316A 聲學(xué)性能


可變換向模式


用于降低電機(jī)控制應(yīng)用中可聞噪聲的最后一種策略是可變換向模式。在梯形換向中,有兩種主要配置:120 度和 150 度。120 度梯形換向可能會導(dǎo)致更多的聲學(xué)噪聲,因?yàn)檩^長的高阻抗周期會導(dǎo)致扭矩波紋增大,如圖 7 和 8 所示。150 度梯形換向只能在低速下運(yùn)行,因?yàn)闄z測過零的窗口期很短。


為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并提高聲學(xué)性能,工程師可以構(gòu)建能夠在 120 度梯形換向和 150 度梯形換向之間動態(tài)切換的電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)。這種動態(tài)調(diào)制可以改善 BLDC 電機(jī)控制期間的整體聲學(xué)性能。


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圖 7:相電流和 FFT - 120 度換向


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圖 8:相電流和 FFT - 150 度換向


例如,TI 無傳感器 BLDC 集成梯形控制柵極驅(qū)動器(如 MCT8329 和 MCT8316)采用此內(nèi)置功能來優(yōu)化多種電機(jī)頻率下的聲學(xué)性能,如圖 9 所示。


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圖 9:實(shí)施具有動態(tài)調(diào)制的可變換向模式來優(yōu)化 MCT8316A 聲學(xué)性能


結(jié)語


TI 在加大運(yùn)動控制技術(shù)的投資,助力構(gòu)建更高效的聲學(xué)敏感型系統(tǒng),其構(gòu)建塊旨在滿足聲學(xué)要求。當(dāng)您設(shè)計(jì)系統(tǒng)時,請記得采用這三種出色方式來降低電機(jī)控制應(yīng)用中的可聞噪聲。



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