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风扇电机的设计方案_判断风扇电机好坏的方法

时间:07-14 来源:电子发烧友网整理 点击:

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

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