無(wú)刷直流風(fēng)扇電機180度正弦波控制

　　目前的變頻風(fēng)扇一般采用無(wú)刷直流電機，因其無(wú)勵磁繞組、無(wú)換向器、無(wú)電刷、無(wú)滑環(huán)，結構比一般傳統的交、直流電動(dòng)機簡(jiǎn)單，運行可靠，維護簡(jiǎn)單。與鼠籠型感應電動(dòng)機相比，其結構的簡(jiǎn)單程度和運行的可靠性大體相當，但由于沒(méi)有勵磁鐵耗和銅耗，功率在300W以下時(shí)，其效率比同規格的交流電機高 10%～20%。

　　無(wú)刷直流電機一般采用方波驅動(dòng)，采用霍爾傳感器采樣轉子位置，以此為基準信號控制繞組強制換相。這種方案控制方法簡(jiǎn)單，成本低，在目前電動(dòng)車(chē)方案中應用廣泛。但由于方波驅動(dòng)換相時(shí)會(huì )出現電流突變，導致轉矩脈動(dòng)較大，轉動(dòng)不平穩，噪聲指標較差，難以在家電應用領(lǐng)域推廣。而正弦驅動(dòng)可以避免換相時(shí)的電流突變，雖然最大轉矩會(huì )降低，但在噪聲指標上有明顯的優(yōu)勢。

　　通常電機變頻控制都采用DSP實(shí)現，還需要提供傳感器精確檢測轉子位置，可實(shí)現高精度控制，但DSP方案開(kāi)發(fā)成本和應用成本都很高，家電應用對價(jià)格非常敏感，傳統的DSP電機矢量控制方案比較難推廣。由于某些家電應用對動(dòng)態(tài)響應等性能要求不高，如風(fēng)扇，可以用稍微降低性能但大幅度降低成本的方案來(lái)代替DSP方案。本文提出了8位單片機的正弦波驅動(dòng)方案來(lái)滿(mǎn)足這種需求。

　　硬件選型

　　1 正弦波信號產(chǎn)生

　　本方案控制核心為一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機——中穎SH79F168，其內部框圖如圖1所示。此MCU采用優(yōu)化的單機器周期8051內核，內置16KB閃存，兼容傳統8051所有硬件資源，但最高指令執行速度提高12倍，采用JTAG在線(xiàn)仿真方式，內置16.6MHz振蕩器，同時(shí)擴展了如下功能：雙DPTR指針；16位×8乘法器和16位/8除法器；3通道12位帶死區控制PWM，6路輸出，輸出極性可單獨設定，提供中心對齊和邊沿對齊模式；集成故障檢測功能，可瞬時(shí)關(guān)閉PWM輸出；內置放大器和比較器，可用作電流放大采樣和過(guò)流保護；提供硬件抗干擾措施，例如PC指針溢出復位等；提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEPROM，方便存儲參數。

圖1 MCU內部框圖

　　由于集成PWM發(fā)生器和電流放大/比較器，一顆SH79F168就可以完成所有控制功能，而且采用8051內核，上手容易。

　　設計原理

　　整個(gè)系統采用SH79F168為主控MCU，MCU輸出的PWM信號直接和功率模塊連接，控制功率管的通斷。同時(shí)MCU還負責電壓電流ADC檢測，霍爾位置檢測，速度給定輸入轉換，實(shí)際轉速信號輸出以及電機控制算法等功能，結構如圖2所示。

圖2 控制部分結構圖

　　功率部分采用智能功率模塊，可用MCU輸出信號直接控制，PCB Layout時(shí)需注意snubber電容要盡量靠近SPM，減小引線(xiàn)電感，同時(shí)自舉升壓二極管需選用高耐壓快恢復二極管，結構如圖3所示。

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。