电机驱动系统如何在提高频率的同时抑制噪声？

本文主要讨论“电驱动系统的传导噪声干扰源抑制”。

通过改进开关控制方案和优化开关过程，可以抑制源处产生的传导扰动。

目前，PWM高频谐波的抑制原理大多是将特定频率的PWM谐波转移到附近的其他频率，从而改变PWM的谐波分布特性，从而抑制PWM谐波。

图B    传统两级变流器的电驱动系统

• 随机PWM扩频技术；

• 周期PWM扩频技术。

  
  

• 最优同步调制策略SHEPWM；

• 最优同步调制策略CHMPWM；

  
  

• 改进的空间矢量脉宽调制（MSVPWM）技术；

• 单面空间矢量脉宽调制器（MS-SVPWM）技术；

  
  

周期性PWM技术也称为周期性频率调制（PCFM）。逆变器的载波频率根据周期函数变化，也可以达到分散谐波能量分布的效果，从而降低PWM谐波幅度。

与随机调制扩频策略相比，周期调制扩频策略可以更好地控制谐波能量的分布，使其能够有效地消除某些频率下的谐波分量。

周期扩频技术中周期函数的选择对于PCFM的扩频效果和谐波抑制能力至关重要。对于周期扩频技术中的载波频率函数，最常用的三个周期函数是锯齿波函数、正弦波函数和三角波函数。其中，谐波抑制效果最好的方法是根据锯齿波变化的PCFM技术。

SHEPWM技术是一种用于多电平电压源逆变器的PWM控制方法。其思想是以预定角度实现特定开关的切换，以产生所需的最优SPWM控制，从而消除选定的特定谐波并最小化输出电压波形的全局谐波失真。

SHEPWM的问题是计算复杂。国内外许多学者对SHEPWM的简化运算进行了研究。目前的趋势是将三角函数超越方程的解转化为多项式解。开关角和调制深度之间的关系由代数方程近似，简化了求解过程。

CHMPWM调制技术直接使用总电流谐波失真率作为通过开关角度计算的性能指标。这样，在确保逆变器的输出基波电流为期望值的前提下，可以尽可能地减小谐波电流的有效值。从而使输出电流具有最佳的谐波特性。

CHMPWM的目的是最大限度地减少输出电流的谐波失真。同时，没有出现SHEPWM中未消除的高次谐波被明显放大的现象，求解的开关角也具有良好的通用性。然而，由于CHMPWM解决方案更加复杂，该方法的实际应用不如SHEPWM方法广泛。

改进SVPWM技术的基本思想是优化中心对称SVPWM技术中的矢量合成时序。通过在一个载波周期内改变原SVPWM技术的开关脉冲序列，可以降低逆变器输出相电压和相电流的谐波含量。

对于传统的二电平三相电压源逆变器，几种改进的SVPWM技术对PWM谐波抑制效果明显。

• MSVPWM技术

  
  

MSVPWM方法适用于两电平三相逆变器，以牺牲33%的开关频率增加为代价来抑制PWM频率的电压噪声和电流噪声。

图B   MSVPWM技术

MSVPWM技术方法通过改变有效矢量的合成时序，改变了传统SVPWM技术原有的开关状态。该方法可以抑制PWM频率附近的高频谐波和奇数倍谐波。但MSVPWM对PWM开关频率的偶数倍谐波没有抑制作用。

所提出的MSVPWM方法不改变基波的特性，也不需要使用额外的电路，这可以很容易地实现。MSVPWM在抑制逆变器的PWM谐波、提高LC滤波器的性能和减小滤波器尺寸方面发挥着重要作用。

• MSSVPWM技术

  
  

通过对SVPWM技术的锯齿载波的零矢量进行特定调整，MSSVPWM技术降低了开关损耗，增加了PWM干扰频率，同时降低了PWM谐波含量。图C显示了MSSVPWM技术。

图C  MSSVPWM技术

通过比较MS-SVPWM技术和MSVPWM技术的抑制能力，发现MSSVPWM技术基本上可以消除开关频率奇数倍的谐波，而MSVPWM只能抑制谐波。然而，MSSVPWM技术仍然无法抑制开关频率倍数的谐波振幅。

有源栅极驱动通过精细控制开关波形来实现各种应用目的，例如抑制桥之间的串扰、降低开关波形的过冲幅度和抑制高频EMI。

• 开环控制技术；

• 闭环控制技术；

有源栅极驱动的开环控制是针对开关器件的瞬态过程，在不同阶段调整驱动电压、驱动电流或驱动电阻。以使驱动信号的波形与参考波形一致。以这种方式，控制输入电容器的充电和放电速度。最终改善了瞬态特性。典型的主动驱动结构如图D所示。

图D一种典型的有源驱动方案

• 有源驱动案例1：提出了一种基于智能模型的轨迹优化有源栅极驱动系统，以优化SiC器件引起的EMI和开关损耗；

• 有源驱动案例2：总结了目前用于SiC器件开关速度控制的有源栅极驱动。同时，简要分析了SiC器件引起的高频EMI。

  
  

尽管有源栅极驱动可以抑制由器件的开关引起的EMI，但这种方案通常会增加器件的开关时间和开关损耗。这种方法降低了系统效率。此外，主动栅极驱动方案对驱动电路和控制芯片也提出了更高的要求。

软开关转换技术可用于减少开关损耗、通过开关器件的电压/电流的过冲幅度和EMI。

软开关转换电路主要由R、C、L、二极管和辅助开关器件组成。

根据所使用的电阻器和辅助开关器件，软开关转换电路可分为三种类型：

• 有损无源转换电路；

• 无损无源转换电路；

• 有源转换电路；

软开关转换电路通常指无损无源和有源缓冲电路。通过一种特殊的控制方法，软开关过渡电路可以有效地避免瞬态开关电压和电流的重叠。

根据发展过程，软开关转换电路分类：

• 可分为准谐振电路；

• 零开关PWM电路；

• 零开关PWM回路；

  
  

此外，根据瞬态开关电压和电流的变化顺序，软开关转换电路可以进一步分为：

• 零电压软开关转换；

• 零电流软开关转换；

  
  

对于有源栅极驱动和软开关转换技术，当与相应的控制方法相结合时，可以很好地改善开关器件的动态特性。主要缺点是拓扑结构和驱动器设计更加复杂。工业应用仍然存在优化需求。

对于改进的开关控制方案：

• 它只是一种改进的软件算法，而不增加驱动系统的体积；

• 由于不添加硬件，因此驱动系统具有高可靠性；

• 同时，对于不同功率电平的系统，可以使用相同的调制策略来实现传导干扰抑制。

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SHEPWM具有解决目标开关角度的问题，涉及超越方程的求解，运算更加复杂，对算法求解提出了更高的要求。

电机驱动系统的传导干扰抑制方法主要包括EMI滤波、拓扑优化、改进的开关控制方案和开关过程的优化。

这些方法基于两种思想：

• 一种是在传播路径上进行干扰抑制；

• 另一种是源处的传导干扰抑制；

  
  

前者效率更高，但显著增加了驱动系统的体积或质量。后者更灵活，但控制和设计更复杂。

在实际的工业应用中，我们应该根据实际需要选择所需的传导扰动抑制方法。

抑制传导干扰的常用且可靠的方法是在驱动系统中添加EMI滤波器。

为了消除源处的传导干扰，首先采用了改进的开关控制方案。

随着驱动系统的不断发展，传导扰动抑制方法仍需在多个方面不断研究。