风扇电机的设计方案_判断风扇电机好坏的方法

图1中可以看到三个Hall传感器在空间中依次相差120°电角度，转子磁极宽度为180°，设Ha安装在图2的A绕组处，Hb在B绕组处，Hc在C绕组处。Hall在S极下输出1（高阻输出，外部上拉），N极下输出0，则转子顺时针旋转时，Hall信号的变化顺序是101，001，011，010，110，100（MSB=Hc，LSB=Ha），每个Hall状态保持60°电角度的时间。以转子磁势的位置来划分Hall区域，如图3所示。

　　图3 Hall信号区域的划分

　　可以看出Hall信号区域的划分完全是由Hall传感器的安装位置决定的。二二方式通电时，如AB相通电，则定子磁势Fa的位置如图3所示，正好在110和010区域的分界处，此时若转子磁势Ff在图标位置，则转子将顺时针转过60°电角度，然后Hall信号的输出变为010，这时必须立刻使AC相通电，使Fa指向图4所示的位置，这样就可以带动转子转动。传统的方波控制就是采用这种方式。

　　图4 转子位置变化后相应定子磁势位置

　　为了实现自动判别Hall输出信号与转子磁动势的位置关系，常采用的办法是将转子固定在图4的6个不同区域中，记录下对应的Hall信号值。在图4中，若持续给AC相通电（电流从A流入，C流出），则Fa会停在图标的位置，而Ff最终也将停在Fa的位置，而这个位置正好在两个不同的Hall信号区域之间，这样就无法准确的测出Hall输出信号与转子磁动势位置的对应关系。

　　本方案采用的方法是三相通电，先给AB，AC相通电，如图5所示，定子磁动势指向一个Hall区域的正中间，这样转子也将停在此位置，此时记录下Hall的输出。然后给AC，BC相通电，如图6所示。

　　以此类推，接下来给BA，BC通电;BA，CA通电;CB，CA通电;AB，CB通电，分别记下相应的Hall值。有一点需要注意，最初给AB，AC通电时，若此时转子磁动势Ff的位置正好如图7所示，则转子将没有力矩，无法转到Fa的位置，出现死角，为了避免这种现象，采用正交驱动强制定位，在给AB，AC相通电之前先给BC两相通电，就可以避免。

　　正弦波控制方式

　　得知Hall输出信号与转子磁动势位置的关系之后，图7中，Ff位于图标的位置，方波驱动方式下，此时若给BC相通电，则Ff将逆时针旋转，为了能够让Ff旋转一周，此后的通电顺序是BC-AC-AB-CB-CA-BA-BC……。反之，为了让Ff顺时针旋转，通电的顺序应该是CB-CA-BA-BC-AC-AB-CB……。

　　由电机基础理论可知：

　　T = K * Fa * Ff * sinθ

　　式中K为常数， Ff为定子磁动势， Fa为转子磁动势， θ为定子磁动势和转子磁动势的夹角，明显θ=90度时转矩最大。方波控制以六步运行， θ在60°到120度之间变化，因此不是恒定转矩，正弦波控制的目的就是控制定子磁链方向， 尽量保持定子磁链方向和转子磁链方向垂直。（这也就是DSP矢量控制追求的目标——定子磁链定向控制）。这样转矩最大且恒定。

　　要想获得上述效果，必须精确知道转子位置，一般的做法是采用光电编码盘，但成本较高，鉴于家电应用对动态性能要求不高，电机转速不会突变，在60度电角度内可以认为电机匀速运行，因此本方案采用目前无刷电机标配的霍尔传感器。

　　图8中，一个360°电角度周期内电流按照t0到t6的顺序变化。因此可以在程序中作出一个360度正弦波的表，每隔60度分段，通过读取3路霍尔的当前值，软件取不同的段，取出的数据和外部输入的速度给定系数（0~1之间）相乘，然后送入PWM发生器的占空比寄存器，就可以复现一个完整的360度正弦波，按上述描述，不考虑电机的瞬态响应，两次读表的间隔时间根据以下方法确定：定时器纪录电机转子每转过60度电角度所花费的时间，根据上两次60度电角度转子所花时间来预测下一个60度电角度需要多长时间。将此时间片除以60度表的数据量，就可以得知每次取表的间隔时间。

　　图8 三相电流示意图

　　超前换相角处理

　　上述方案实现的是理想状态下的电压驱动波形，只是保证电压矢量是和转子磁势方向基本垂直，实际上由于电机是感性负载，电机定子电流矢量滞后于定子电压矢量，因此定子磁势也滞后于定子电压矢量，也就是说，如果按照上述SPWM波形驱动电机，定子磁势和转子磁势夹角将小于90度，导致电机转矩不是最大，定子电流存在直轴分量，产生去磁效应，导致控制器的功率因素不高，因此需要加入超前换相处理。以便定子磁势和转子磁势夹角尽量接近90度。

实现起来其实很简单，只要在做正弦表时，将初始角度超前就可以了，不需要更改软件结构。更灵活一点的处理方法是给取表执针加一个偏移量，这样可以根据负载状