無(wú)刷直流風(fēng)扇電機180°正弦波控制

圖3 功率部分結構圖

霍爾相序自動(dòng)測定
為了實(shí)現自動(dòng)判別霍爾（Hall）輸出信號與轉子磁動(dòng)勢的位置關(guān)系，常采用的辦法是給二相繞組持續通電，讓轉子固定在某個(gè)位置，記錄下對應的Hall信號值。但這種方法有缺陷，定子合成磁勢的方向正好和霍爾位置重疊，這樣可能導致誤判。本方案采用另外一種方法避開(kāi)解決此問(wèn)題，采用三相通電，這樣定子合成磁勢的方向剛好與霍爾位置錯開(kāi)30°電角度，確保了讀到的霍爾值的準確性。

正弦波控制方式
得知Hall輸出信號與轉子磁動(dòng)勢位置的關(guān)系之后，可以產(chǎn)生正六邊形的旋轉磁場(chǎng)，如圖4所示，AB相繞組通電，產(chǎn)生圖中合成磁勢Fa，由于Fa的牽引，Ff將會(huì )順時(shí)針旋轉，旋轉到X位置后，換成給AC相通電，則Fa順時(shí)針跳躍60°電角度，牽引Ff順時(shí)針旋轉60°，依次類(lèi)推，通電順序按照AB-AC-BC-BA-CA-CB-AB循環(huán)，則帶動(dòng)永磁轉子順時(shí)針旋轉。這就是傳統的方波控制方式。

圖4 二極三相繞組示意圖

由電機基礎理論可知：T=K*Fa*Ff*sinθ。式中K為常數，Ff為定子合成磁動(dòng)勢，Fa為轉子磁動(dòng)勢，θ為定子磁動(dòng)勢和轉子磁動(dòng)勢的夾角，顯然θ=90°時(shí)轉矩最大。方波控制以六步運行，θ在60°120°之間變化，因此不是恒定轉矩，正弦波控制的目的就是控制定子磁鏈方向，盡量保持定子磁鏈方向和轉子磁鏈方向垂直。(這也就是DSP矢量控制追求的目標――定子磁鏈定向控制)。這樣轉矩最大且恒定，沒(méi)有轉矩脈動(dòng)。
要想獲得上述效果，需要知道轉子精確位置，采用光電編碼盤(pán)定位準但成本高，家電應用中負載確定，電機轉速不會(huì )突變，因此本方案采用目前無(wú)刷電機標配的霍爾傳感器來(lái)檢測轉子位置。60°電角度內認為轉子速度恒定，轉子位置采用軟件模擬定位。轉子旋轉360°電角度，霍爾傳感器有六種輸出，在程序中作出一個(gè)360°正弦波的表，每隔60°分段，通過(guò)讀取3路霍爾的當前值，軟件取不同的段，取出的數據送入PWM發(fā)生器的占空比寄存器，就可以復現一個(gè)完整的360°正弦波，取表間隔時(shí)間以上一霍爾周期實(shí)際測試時(shí)間為參考動(dòng)態(tài)調整。

超前換相角處理
上述方案實(shí)現的是理想狀態(tài)下的電壓驅動(dòng)波形，只是保證電壓矢量是和轉子磁勢方向基本垂直，實(shí)際上由于電機是感性負載，電機定子電流矢量滯后于定子電壓矢量，因此定子磁勢也滯后于定子電壓矢量，也就是說(shuō)，如果按照上述SPWM波形驅動(dòng)電機，定子磁勢和轉子磁勢夾角將小于90°，電機轉矩不是最大，定子電流存在直軸分量，產(chǎn)生去磁效應，導致控制器的功率因素不高，因此需要加入超前換相處理。以便定子磁勢和轉子磁勢夾角盡量接近90°。軟件實(shí)現很簡(jiǎn)單，只要在做正弦表時(shí)，將初始角度超前就可以，無(wú)須更改軟件結構。

如何調速
正弦波頻率是根據Hall信號的變化隨時(shí)調整，屬于自控式被動(dòng)變頻，如果要調節電機速度，不能直接修改調制正弦波頻率，而是修改調制波幅度，因此軟件中取出的正弦表值會(huì )和外部的速度給定系數相乘后再寫(xiě)入PWM發(fā)生器的占空比寄存器中，調制幅度修改后，電機上等效電壓變化，因此轉子轉速變化，而正弦調制波的頻率則依據轉子霍爾信號被動(dòng)調整。