TI 利用兩種控制方案降低 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的噪音

無(wú)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(lái)越普遍。

無(wú)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(lái)越普遍。
然而，BLDC 電機(jī)的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生噪音，這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境背景噪音，尤其是在開(kāi)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(wèn)題，德州儀器 (TI)今天宣布推出 兩款全新 70 W 無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，即MCT8316A和MCF8316A。這些驅(qū)動(dòng)程序聲稱(chēng)是高度集成的無(wú)代碼芯片組，分別使用梯形控制和磁場(chǎng)定向控制(FOC)。 

電器常見(jiàn)噪音水平的幾個(gè)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(gè)：減少來(lái)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(shí)間（可能縮短至 10 分鐘）.
考慮到這些目標(biāo)，讓我們來(lái)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(zhuān)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)。  

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

MCx8316A 驅(qū)動(dòng)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(guò)梯形控制方案改善聲學(xué)性能。
同時(shí)，采用FOC方案的MCF8316A利用自動(dòng)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償來(lái)減少饋送到電機(jī)的諧波含量，從而降低可聽(tīng)范圍內(nèi)的噪聲。 
一個(gè)家族，兩種芯片，兩種控制方案，不禁要問(wèn)，梯形控制和磁場(chǎng)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(lèi)型的 BLDC 電機(jī)，包括霍爾效應(yīng)傳感器驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和無(wú)傳感器架構(gòu)。盡管更復(fù)雜，但無(wú)傳感器架構(gòu)是更受歡迎的選擇。對(duì)于無(wú)傳感器操作，出現(xiàn)了兩種控制方案。

梯形控制方案的時(shí)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(shí)間斷言?xún)蓚€(gè)相位。因此，如上所示，在任何相位的過(guò)零期間都不會(huì)產(chǎn)生扭矩。 
該方案的效果是在每 60° 過(guò)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(dòng)器將在每個(gè)周期的剩余 60°中使用高阻態(tài)。
相反，磁場(chǎng)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(gè)正弦信號(hào)，該信號(hào)被采樣并通過(guò)Clarke 變換然后通過(guò)Park 變換進(jìn)行饋送。

磁場(chǎng)定向控制的基本框圖。截圖由Texas Instruments提供

這兩個(gè)變換的結(jié)果通過(guò)將定子電流矢量從三相時(shí)變系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為雙坐標(biāo)時(shí)不變系統(tǒng)來(lái)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(huì)產(chǎn)生有助于聲學(xué)噪聲的諧波偽影。

兩種無(wú)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(shuō)調(diào)制和死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償對(duì)于減少電機(jī)運(yùn)動(dòng)中存在的可聽(tīng)噪聲至關(guān)重要。準(zhǔn)確地說(shuō)，MCF8316A使用諧振控制器補(bǔ)償高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān) MOSFET 之間的 死區(qū)時(shí)間，以將諧波含量降至零。

在 MCF8316A 內(nèi)部啟用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償可消除可聽(tīng)諧波（左），從而產(chǎn)生更純凈的正弦信號(hào)（右）。截圖由Texas Instruments提供

對(duì)正弦輸出和隨后的快速傅立葉變換 (FFT) 的影響如上所示。
類(lèi)似地，梯形控制方案（如 MCT8316A）的 FFT 響應(yīng)通過(guò)利用芯片的可變換向方案在 120° 和 150° 之間動(dòng)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(shí)間量. 
總而言之，這種降噪解決方案似乎對(duì)許多應(yīng)用很有前景，尤其是對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品而言。